Konstrukční řešení

[7], [9], [10]

Vlastnosti zařízení ve ztížených podmínkách ovlivňuje částečně i konstrukční řešení výrobku. Čím je konstrukce jednodušší, tím je pravděpodobně:

• nižší poruchovost jednotlivých dílů zařízení,
• snadnější výměna vadných dílů,
• jednodušší obsluha zařízení.

Konstrukční řešení má zásadní vliv i na provedení určitého typu povrchové ochrany.V některých případech může nevhodné konstrukční řešení znemožnit dokonce provedení kvalitní povrchové ochrany. To se potom může projevit ve zkrácené době technického života zařízení ve ztíženém prostředí.

Nevhodnou polohou profilových tyčí nebo kombinací sestav profilů v příhradových konstrukcích (mostovky, stožáry) mohou vznikat žlaby, v nichž se udržuje voda s nahromaděnými nečistotami. To má za následek, že se postupně zvyšuje v profilu místní agresivita prostředí.

Tento konstrukční nedostatek lze odstranit změnou polohy tyče, nebo v případě, že to není možné, vytvořením otvoru v profilu tak, aby mohla voda odtékat (obr. 2)

Obdobný problém může vzniknout zdvojením tyčí (obr.3). Vzniklá štěrbina je z hlediska požadavku na korozní odolnost ocelové konstrukce nevhodná. Pro nepřístupnost štěrbiny (po sestavení dílů a připojení tyčí nerozebíratelnými spoji) nelze zhotovit úplný systém ochrany, kontrolovat jeho jakost a provádět údržbu.

Obr 3 Štěrbina vzniklá nevhodným a vhodným uspořádáním tyčí

Štěrbina vzniklá při posunutí tyčí v rovině půdorysu by měla mít dostatečnou velikost. Z

Obr 4 Vhodné a nevhodné připojení tyče v příhradové konstrukci

hlediska volby zhotovování, kontroly a údržby je optimálním konstrukčním řešením zdvojení tyčové soustavy Nedostatečná vzdálenost mezi tyčemi nebo ostatními částmi stavby znesnadňuje zhotovit úplný systém ochrany, kontrolovat jeho jakost a provádět údržbu, příp. volbu vhodných systémů ochrany.

U příhradových konstrukcí může nevhodným připojením tyče tvaru U vzniknout žlab, v jehož spodní části se může shromažďovat voda s nečistotami. Odstranit tento problém lze vhodnou polohou tyče a odvodňovacím otvorem (obr. ).

Častým ohniskem koroze jsou svařované spoje. Při svařování dochází vždy k místnímu spálení nátěrů i odpaření žárově vytvořeného zinkového povlaku. K podbarvení se proto musí použít speciální nátěrová hmota, která zaručuje dobré antikorozní vlastnosti a neovlivňuje kvalitu sváru. Korozní odolnost svarových spojů je ovlivněna i vlastní technologií svařování.

Při svařování obalovými elektrodami nebo pod tavidlem zůstává ve sváru a jeho okolí struska a poprašek z elektrod. Ochranná účinnost nátěru v těchto místech proto závisí na kvalitě očištění povrchu před aplikací nátěru.

Zvýšenou pozornost je nutné věnovat ochraně styčných ploch přeplátovaných spojů. Jestliže při vytvoření přeplátovaného spoje není použito podbarvení, zůstává povrch v těchto místech obnažen. Do vzniklé spáry může vnikat vzdušná vlhkost a nečistoty. V důsledku toho potom dochází v tomto prostoru k intenzivnější korozi. Intenzita koroze je závislá na šířce spáry a agresivitě korozního prostředí. Nebezpečné jsou zejména spáry úzké (0,4 - 0,8 mm).

Z hlediska povrchové úpravy poskytují lepší možnosti svařované spoje, u nichž je zajištěna jejich hermetičnost.

Obr 5 Spojování přelakovaných plechů

Častým ohniskem koroze jsou střižné hrany předlakovaných plechů. Dodatečné krytí (lakování) střižných hran není ideální. Vhodnější je konstrukční řešení. Pro zakrytí střižných hran lze použít vhodných krycích lišt z různých materiálů, popřípadě volit takovou formu mechanického spojení, která umožní zakrytí střižných hran (obr.5). V podmínkách venkovní atmosféry mechanické spojení neposkytuje ale stoprocentní ochranu střižných hran. Proto je vhodné v tomto případě spáry utěsnit tmelem.

U šroubových nebo nýtovaných přeplátovaných spojů se doporučuje před vlastním spojením dílů provést dodatečnou povrchovou ochranu styčných ploch. Určité omezení je při nýtování za tepla, kdy může dojít k místnímu spálení nátěru. Hlavy nýtů, šrouby i svarové housenky, včetně vlastních přeplátovaných částí spojů, zvyšují členitost povrchu a v důsledku toho se snižuje rovnoměrnost vytvářených nátěrů.

Moderním způsobem spojování je lepení. Sortiment lepidel je natolik široký a proměnný, že je možno uvést pouze obecnou charakteristiku lepeného spoje. Lepidla mohou být prostředím narušována obdobně jako jiné organické materiály. Protože však k nim prostředí v lepeném spoji nemá přímý přístup, dochází k poškození prakticky pouze při penetraci vody do spoje lepenou hranou nebo podkorodováním spoje. Poškození mikroorganismy bývá vzácné.

Z klimatických vlivů má proto pro trvanlivost lepených spojů praktický význam především teplota. Ta může nepříznivě ovlivňovat vlastnosti samotného lepidla a vedle toho i zvyšovat mechanické namáhání spoje vyvolané rozměrovými změnami a deformacemi lepených materiálů. To je také častější příčinou menší odolnosti lepených spojů při venkovní expozici. Znečištění atmosféry se uplatňuje jen výjimečně.

Při správné volbě lepidla, z hlediska předpokládaného tepelného namáhání a druhu lepených materiálů, je nejčastější příčinou poškození spoje nedokonalá příprava a úprava povrchu, porušení konstrukčních zásad, nedodržení předepsaného způsobu zpracování lepidla a podmínky pro jeho nanášení (teplota, vlhkost, tlak, doba do zatvrdnutí). Jde tedy o faktory, které již samy o sobě snižují předpokládanou pevnost lepeného spoje a jeho schopnost odolávat zvýšenému pnutí při rozměrových změnách, vyvolaných teplotou.

Jakost lepidla je dána výrobcem a jeho vlastnosti již nelze dodatečnými opatřeními měnit. Jakost lepeného spoje je dána konstrukčním řešením, výběrem lepidla s ohledem na všechny vlivy, jimž bude spoj vystaven, a dodržením technologie předepsané výrobcem. Při zajišťování klimatické odolnosti výrobku je proto třeba při volbě a způsobu použití lepidla dodržovat tyto hlavní zásady:

• U lepených spojů s vysokými nároky na dlouhodobou pevnost je nutné chránit lepenou spáru vhodným nátěrem, a to zejména u spojů pro prostředí se zvýšenou vlhkostí, pro prostředí silně znečištěná nebo při velkém poměru délky lepené s páry k lepené ploše.
• Nečíslovaný seznam Při konstrukci a zhotovování výrobku, u něhož má být použito lepených spojů, je třeba respektovat všechny obecně platné zásady pro dosahování lepeného spoje s vysokou pevností a s minimálním nebezpečím jejího snižování mechanickými vlivy.
• Nedoporučuje se používat lepených spojů na části výrobků, které budou vystaveny zvýšenému ohřevu či větším změnám teploty, ať již klimatickými vlivy nebo provozem výrobku.

Vedle jejich základního poslání - spojování jednotlivých částí výrobků - se lepidla někdy používají jako těsnicí prostředky.

Konstrukčním prvkem, kterému je nutné ve ztíženém prostředí věnovat patřičnou pozornost, je ložisko. Rozhodující roli u těchto prvků hraje použitý tuk. V studené oblasti a studeném prostředí běžné tuky krystalizují již při teplotě kolem -20 až -30 °C. Pro menší ložiska je proto nutné volit speciální tuky. Výhodným řešením se jeví samomazná ložiska z plastů.

U velkých zařízení se ložiska před uvedením do provozu předehřívají, což vyžaduje konstrukční úpravy. V prašných oblastech a prostředích s velkými změnami teplot (-5 až +50 °C ) představuje pro ložiska nebezpečí prach. Proto by měla být chráněna proti vniknutí prachu. Do prostředí s vyššími teplotami okolí je nutná kontrola oteplení ložisek, aby nedocházelo k vytékání tuku. Vlivem dlouhodobého skladování při vyšší teplotě dochází rychleji k rozkladu tuku, který potom působí korozívně.

Tuky ve vlhkém prostředí s atmosférickým znečištěním a přímořském prostředí se snadno rozkládají a spolu s vlhkostí pak působí korozívně. Pro vlhká prostředí se nejlépe osvědčují uzavřená ložiska plněná speciálním tukem odolným proti vlhkosti.

Ochranu pružin je nutné řešit s ohledem na typ pružin a jejich velikost. Problematičnost povrchové úpravy pružin do značné míry způsobuje citlivost pružinových ocelí k obvyklým technologickým postupům. Nedílnou součástí výroby pružin jsou procesy tepelného zpracování. To ale může způsobit naoxidování povrchu oceli. Mechanické čištění povrchu od oxidových vrstev je použitelné pouze u velkých typy pružin.

Obr 6 Zkrutovaná pružinka

Střední a malé pružiny sevřeného provedení (zkrutné a tažné) se chrání galvanickým pokovením. Vlivem vodíkové křehkosti , vyvolané chemickou úpravou, se ale zhoršují mechanické vlastnosti těchto pružin.

Další z cest, jak provádět povrchovou ochranu pružin je jejich výroba z galvanicky nebo žárově pokovených drátů. Tento způsob je však použitelný pouze pro pružiny, které se již po navinutí tepelně nezpracovávají. Jiným způsobem je úprava pružin fosfátováním. Fosfátová vrstva (obvykle Zn-fosfát) slouží jako nosný podklad pro konzervační prostředky nebo pro elektroforetické nebo jiné lakování. Fosfátování se také používá jako povrchová úprava pružinových drátů. Tato technologie usnadňuje vinutí pružin a vytváří dostatečný podklad pro lakování.

Spojovací materiál (šrouby, matice, podložky, vruty, nýty apod.) je důležitou součásti většiny výrobků, přitom spojovaná místa představují nejvíce mechanicky i korozně namáhaná místa. Klasickou formou povrchové ochrany spojovacího materiálu, zejména menšího rozměru, jsou elektrolyticky vyloučené povlaky zinku, kadmia, cínu, mědi a dalších slitin. Jejich ochranná účinnost je dána především typem povlaku a jeho tloušťkou. Pro ochranu šroubů byla vyvinuta řada modifikovaných galvanických procesů. Tak např. ocelové šrouby se nejdříve pokoví Ni. Vzniklá vrstva se tepelně upraví a na tento povrch se elektrolyticky vyloučí 12 µm vrstva Zn.

U ocelových šroubů s nesnímatelnou Al 15 podložkou je nutné omezit vliv korozního článku mezi materiálem podložky a vlastním šroubem. To se docílí tak, že po navlečení podložky a vytvoření závitu se šroub pokoví slitinovým povlakem Sn-Zn. Hliníková podložka je při pokovení chráněna snímatelným lakem.

Závažným omezením použitelnosti technologie galvanického pokovování je vznik vodíkové křehkosti u vysokopevnostních tepelně zpracovaných ocelí. V povrchové ochraně spojovacího materiálu mají své místo i žárové povlaky. Ve srovnání s galvanickými zinkovými povlaky vykazuje žárový zinek vyšší ochrannou účinnost (z důvodu větší tloušťky).

V automobilovém průmyslu se ve velké míře používá pro ochranu spojovacího materiálu mechanicko-chemické vytváření povlaku. Slitinový povlak Zn-Sn zamezuje vznik korozního článku mezi ocelovými spojovacími prvky a částmi z hliníkových slitin. Pro dodatečnou ochranu povrchu smontovaných spojů lze využít organické povlaky. Existují však i technologie umožňující primární ochranu spojovacích prvků přímo u výrobce.Vhodnou skladbou jednotlivých vrstev lze zajistit jak požadovanou povrchovou ochranu, tak snížení třecích sil při utahování závitových spojů.

Obr 7 Konstrukční řešení z hlediska možné povrchové úpravy

Konstrukční řešení by mělo být navrženo tak, aby nevznikaly na výrobku štěrbiny. V úzké štěrbině lze nátěr zhotovit prakticky jen máčením, příp. elektrochemickým způsobem.

Aplikace těchto způsobů je však většinou nehospodárná. Jestliže se z funkčních důvodů nelze štěrbině vyhnout, je účelné, nepřesahuje-li její šířka 10 mm, zatmelit ji vhodným plastickým tmelem.

Z hlediska životnosti nátěrů výrobků vystavených atmosférickým podmínkám či jiným vlivům agresivního prostředí jsou velmi nepříznivé částečně uzavřené prostory, jako jsou různé kapsy, dutiny konstrukcí s členitým povrchem, prolisy apod.

Obr 8 Příklad konstrukčního řešení nádoby z hlediska možnosti provedení povrchové ochrany.

V těchto místech se hromadí voda, prach a jiné nečistoty. Zadržená dešťové voda rozpouští agresivní složky atmosféry, které se stálým odpařováním vody a přístupem nových nečistot postupně koncentrují. Bylo zjištěno, že v podmínkách chemického závodu odpovídá agresivita nahromaděné kapaliny po dvou měsících 3 %ní kyselině sírové.

Částečně uzavřené profily omezují možnost volby technologie zhotovování nátěrů. V dutinách se zadržuje nátěrová hmota, elektricky stíněná místa znemožňují aplikaci elektrostatického stříkání. Úkolem konstruktéra je navrhnout takové řešení, které může zajistit provedení kvalitní povrchové ochrany. Příklady vhodného a nevhodného konstrukčního řešení nádoby je na obr. .

U moderních konstrukcí se často využívá různých dutých uzavřených profilů, které kromě lepších mechanických vlastností zlepšují též podmínky pro povrchovou úpravu. Uzavřené profily většinou nevyžadují povrchovou úpravu vnitřních ploch, čímž se snižuje celková upravovaná plocha konstrukce. U svařovaných konstrukcí z trubek k tomu ještě přistupuje výhoda hladkého oblého povrchu, který snižuje možnost usazování prašných nečistot. Aby nedocházelo ke korozi vnitřních částí konstrukce, musí být provedeny profily jako „vzduchotěsné“. U důležitých nosných částí konstrukcí se často vyžaduje tlaková zkouška těsnosti. Duté prostory konstrukcí, které nelze vzduchotěsně uzavřít, musí být opatřeny alespoň vhodným základním nátěrem a otvorem pro odtok vody. Osvědčuje se rovněž plnit dutiny např. betonem, vyměňovacími materiály, vypařovacími inhibitory, příp. chránit vhodnými konzervačními prostředky.

Obr 9 Příklad izolační vložky

V praxi se často vyskytuje nutnost kombinace různých druhů materiálů. Při kovovém spojení elektrochemicky různě ušlechtilých kovů vzniká nebezpečí vzniku korozních makročlánků, a to i pod nátěrem. Vlivu kovového styku dvou kovů s rozdílným elektrodovým potenciálem, který se uplatňuje zejména v agresivnějším prostředí a to do vzdálenosti max. 1 - 2 mm od místa styku, lze zabránit, pokud to dovolí konstrukční možnosti, izolační vložkou.

Při volbě elektronických prvků a systémů do ztížených provozních podmínek je nutné zachovávat rovněž celou řadu pravidel. Vzhledem k tomu, že tyto výrobky se skládají z různorodých materiálů zpracovaných rozličnými technologiemi, mohou být tato pravidla jen obecného významu.

Elektronické systémy pro tropické oblasti suché prašné, jim podobná prostředí a prostředí s velkými změnami teplot (-5 až +50 °C), musí být projektovány a konstruovány tak, aby při maximální teplotě okolí 50 až 55 °C nebyla provozní teplota elektronických prvků vyšší, než je jejich dovolená maximální provozní teplota.

Obvody s kontakty jsou v těchto prostředích ohroženy prachem. Proti jeho vnikání je třeba je chránit těsným krytem nebo přetlakem filtrovaného vzduchu. Nejvhodnějším řešením jsou bezkontaktní spínací prvky. Pro tropické oblasti vlhké, pro vlhká prostředí, vlhká prostředí s atmosférickým znečištěním a přímořská prostředí se volí elektronické prvky, které vyhoví při ověřování zkouškou vlhkým teplem po dobu 56 dní (ve výjimečných případech, kdy podmínky provozu jsou příznivější, po dobu 21 dní).

Obr 10 Nedostatečně omyta DPS

Podle stejného hlediska se volí i materiál pro plošné spoje. Při osazování desky musí být dodržena předepsaná technologie, použito vhodné tavidlo a dodržena teplota při pájení. Deska se musí předepsaným způsobem omýt upravenou vodou (kontrola její vodivosti), osušit a chránit povrchovým lakem, který vytváří ochranu proti vzniku vodivých cest v prostředí s vysokou vlhkostí. Použije-li se plátovaný materiál s vyšší navlhavostí, dodatečným pokrytím lakem se jeho klimatická odolnost nezvýší. Ochranný lak jen zabraňuje vzniku vodního filmu a tím vodivých můstků mezi plošnými vodiči.

Použitelnost vodičů a kabelů pro prostředí s nízkými teplotami je určována jejich izolací a pláštěm. Teplotní hranice použitelnosti je nutno přísně dodržovat v případě, že se s vodiči a kabely bude při těchto teplotách manipulovat (při montáži, pohyblivé přívody). Jestliže jsou v zařízení pevně zamontovány, lze je vystavit i nižším teplotám, než určují materiálové tabulky. Tyto okolnosti je nutné pečlivě zvážit a podle situace rozhodnout.

Vodiče a kabely pro tropické oblasti suché a prašné, jim podobná prostředí a prostředí s velkými změnami teplot (-5 až +50 °C) nevyžadují mimořádných opatření. Je třeba jen počítat se změnami, k nimž může v těchto podmínkách dojít u izolací z některých plastů (urychlené stárnutí vlivem nízké vlhkosti a zvýšené teploty). Pro tropické oblasti vlhké, vlhká prostředí, vlhká prostředí s atmosférickým znečištěním a přímořská prostředí je lépe volit kabely a vodiče s pocínovaným nebo postříbřeným jádrem, zejména když jde o malé průřezy. V prostředí s atmosférickým znečištěním vyšších koncentrací je nutné volit chráněné jádro.

Pozornost je třeba věnovat způsobu připojení kabelu resp. vodiče, aby v místě spoje nevznikl galvanický článek nebo na spoji nezůstaly zbytky tavidla. Ve vlhkých tropických oblastech dochází někdy k napadení plísní, hlavně u kabelů a vodičů s PVC izolací. Napadení však ve většině případů nemá vliv na funkci.

Užití vodičů a kabelů v ostatních prostředích, které se podstatně liší a nejsou modifikací některého z uvedených prostředí, je nutné řešit volbou kabelu případ od případu. Jde zejména o situace, kdy plášť kabele může přijít do přímého styku s agresivními tekutinami (v kabelových kanálech, kam mohou některé tekutiny zatékat při havárii).

Obr 11 Keramický izolátor vystavený prudkým změnám teploty

Venkovní izolátory pro studené oblasti a prostředí bývají ohroženy v zimním období nestejnoměrným tepelným namáháním. Povrch izolátoru se slunečním zářením ohřeje, zatímco spodní část je vystavena mrazu. To často vede k prasknutí izolátoru. Pro tyto oblasti se nejlépe osvědčily izolátory skleněné. Jinak nejsou v těchto oblastech problémy, pokud jsou systémy vhodně dimenzovány s ohledem na vytváření námrazy.

U venkovních izolátorů v tropické oblasti suché prašné a jim podobném prostředí a prostředí s velkými změnami teplot (-5 až +50 °C) dochází k usazování prachu, který může obsahovat soli, průmyslová hnojiva nebo průmyslové exhaláty. V důsledku velkých teplotních změn dochází ke kondenzaci vlhkosti, což může vést k přeskokům a někdy i k destrukci izolátoru. V těchto oblastech jsou nedostatečné srážky a k mytí izolátorů není k dispozici voda. Pro tato prostředí se nejlépe osvědčily skleněné izolátory. Neosvědčila se úprava silikonovým tukem, polovodivou glazurou ani jiným způsobem.

Obr 12 Koroze špatně zatmeleného dříku

Spolehlivost venkovních izolátorů ve vlhkém prostředí s atmosférickým znečištěním a přímořském prostředí závisí především na frekvenci dešťů. Nejméně problémů je v tropických vlhkých oblastech s menší hustotou průmyslu a častými dešti, kde se na izolátorech nestačí vytvořit depozit. Kromě toho nejsou v těchto oblastech mlhy, které bývají příčinou korony.

V přímořských oblastech se objevují problémy jen tehdy, když izolátory nejsou včas omyty deštěm od slaných depozitů. V průmyslových oblastech, kde se tvoří průmyslové prachové depozity, jsou s izolátory problémy ve všech klimatických pásmech, které jsou chudé na srážky. Poruchy se objevují hlavně v období zvýšené vlhkosti a mlh. Venkovní izolátory pro vysokohorské oblasti musí být řešeny především z hlediska mechanického namáhání (námraza na vedení, vítr).

V suchých tropických a prašných prostředích je funkce kontaktů ohrožena většinou jen prachem. Proto mají být přístroje nebo elementy s kontakty v prachotěsném provedení. Kontaktní systémy je vhodné řešit tak, aby pohyb kontaktu napomáhal čištění povrchu (samočisticí efekt). Je vhodné dávat přednost takovým kontaktním systémům, u nichž jsou kontaktní plošky ve svislé poloze. Pevné spoje nejsou v tomto prostředí ohroženy. Volba materiálů pro kontakty nevyžaduje pro tato prostředí žádných mimořádných opatření.

Ve vlhkých tropických oblastech a ve vlhkém prostředí se znečištěnou atmosférou jsou ohroženy zejména spínací kontakty, především vysokou vlhkostí a atmosférickými nečistotami. Obsahuje-li atmosféra sirovodík a sloučeniny se sulfidickou vazbou, podléhají korozi zejména kontakty ze stříbra a ze stříbrných slitin. Při nízkém obsahu H₂S sice stříbrné kontakty poněkud ztmavnou, jejich funkce však není ohrožena. Pro prostředí s vyšším obsahem H₂S se doporučuje chránit stříbrné kontakty povlakem z drahého kovu nebo použít kontaktů z různých nekorodujících slitin.

V prostředí s obsahem SO₂ jsou ohroženy pozlacené kontakty, pokud je povlak pórovitý v důsledku nedostatečné tloušťky. Zlaté povlaky dostatečné tloušťky jsou v tomto prostředí stálé. Opotřebení stříbrných, postříbřených nebo pozlacených kontaktů lze zabránit tenkým povlakem z rhodia.

Pevné spoje (lisované ovíjené) nejsou ohroženy, jestliže jsou správně provedeny jako parotěsné. Koroze povrchu pevného spoje neohrožuje poměrně dlouhou dobu funkci, zejména když jde o tlustší vodiče. V každém případě je však nutné zabránit povrchové korozi pevného spoje nátěrem.

Obr 13 ČSN EN 60305 Izolátory pro venkovní vedení se jmenovitým napětím nad 1 kV

U izolačních dílů ve vlhkém prostředí je nutné volit dostatečné povrchové vzdálenosti. Vzdušná cesta a povrchová vzdálenost (nejkratší vzdálenost mezi dvěma vodivými částmi po povrchu izolačního materiálu), nebo vzdušné vzdáleností (nejkratší vzdálenost mezi dvěma vodivými částmi) závisí na napětí mezi vodivými uzly a stavem povrchu.