Badanie zachowania korozyjnego i przewidywania pogorszenia własności mechanicznych śrub w wysoce zmineralizowanym środowisku korozyjnym

Dlaczego śruby głęboko pod ziemią mogą cicho zawieść

Głęboko pod ziemią stalowe kotwy podtrzymują stropy i ściany kopalń węglowych, zapobiegając zawaleniom, które mogłyby zagrażać pracującym tam ludziom. W niektórych kopalniach otaczająca woda jest pełna rozpuszczonych soli, tworząc agresywne chemiczne środowisko, które powoli niszczy te ukryte elementy podparcia. Badanie stawia proste, lecz istotne pytanie dla bezpieczeństwa kopalń: jak szybko te kotwy słabną w takich warunkach i czy lepszy rodzaj kotwy może wytrzymać dłużej?

Ukryte niebezpieczeństwo w słonych skalnych tunelach

Naukowcy koncentrują się na „wysoko zmineralizowanych” warunkach kopalnianych, gdzie ciepłe, bardzo wilgotne powietrze i zasobna w sole woda łącznie atakują metal. W tych tunelach stalowe kotwy siedzą w cienkiej warstwie słonej wilgoci zamiast pozostawać suchymi, co znacznie przyspiesza korozję. Zespół zauważa, że wraz z coraz większą głębokością kopalń rośnie temperatura, a przepływ wód gruntowych zwalnia, co często zwiększa stężenia chlorków i siarczanów. Warunki te sprzyjają powstawaniu lokalnych uszkodzeń w niewielkich miejscach zamiast równomiernego rdzewienia, więc kotwa może wyglądać na w większości nienaruszoną, a mimo to niespodziewanie złamać się w osłabionym punkcie, grożąc zawaleniem i wyrzutem skał w drodze szybowej.

Testowanie standardowych i zabezpieczonych cynkiem kotew

Aby zmierzyć skalę problemu, autorzy przeprowadzili roczne próby zanurzeniowe na dwóch rodzajach stalowych kotew o średnicy 20 mm: zwykłych kotwach oraz kotwach poddanych dyfuzyjnemu powlekaniu bogatemu w cynk. Próbki zanurzano w roztworach o różnym stężeniu jonów chlorkowych i siarczanowych, osobno i w kombinacjach, wszystkie w podwyższonej temperaturze. Po 365 dniach usuwano rdzę, mierząc ubytek masy w celu oszacowania głębokości utraty metalu, analizowano produkty korozyjne za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej i rozciągano kotwy na maszynie wytrzymałościowej, aby ocenić utratę wytrzymałości.

Jak słona woda atakuje stal i jak cynk zmienia obraz

Powierzchnia zwykłych stalowych kotew rozwinęła wiele małych, głębokich dołków zamiast jednolitej warstwy rdzy. Chlorek okazał się najbardziej agresywnym jonem, tworząc więcej i większych dołków niż siarczan przy tym samym stężeniu. Gdy oba jony występowały jednocześnie, konkurowały o miejsca na powierzchni metalu — zwiększenie chlorków nasilało korozję dołkową, podczas gdy zwiększenie siarczanów mogło nieco przesunąć uszkodzenia w stronę bardziej równomiernego ataku. Rdza na zwykłych kotwach była luźna i niechroniąca, pozwalając jonóm i wilgoci na dalsze penetrowanie. W przeciwieństwie do tego kotwy pokryte cynkiem tworzyły produkty korozyjne bogate w związki cynku, które szczelnie wypełniały powierzchnię, działając jak tarcza. Dołki na tych kotwach były rzadsze i płytsze, a ich spadek wytrzymałości był znacznie mniejszy przy tym samym czasie wystawienia.

Od dołków w stali do zegara utraty wytrzymałości

Ponieważ dołki działają jak drobne nacięcia skupiające naprężenia, zespół powiązał głębokość dołków bezpośrednio z utratą plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie. W zakresie zaobserwowanych uszkodzeń utrata wytrzymałości rosła niemal liniowo ze średnią głębokością korozji. Aby przekształcić to w narzędzie prognostyczne, zbudowali model matematyczny opisujący, jak dołki najpierw pojawiają się, a potem rosną w czasie w środowisku bogatym w chlorki, uwzględniając wpływ temperatury. Model traktuje rozmiary dołków statystycznie, używając rozkładu prawdopodobieństwa, który reprezentuje wiele średniej wielkości dołków oraz mniejszą liczbę bardzo małych lub bardzo dużych. Łącząc ten model dołków z danymi z laboratoriów, wyprowadzili wzory wyrażające utratę wytrzymałości kotew jako funkcję stężenia chlorków, temperatury i czasu eksploatacji.

Co model mówi o żywotności kotew

Wykorzystując swój model czasowy, autorzy pokazują, że zarówno wyższe stężenie chlorków, jak i wyższa temperatura skracają żywotność kotew w sposób stromy i wykładniczy. Na przykład podwojenie poziomu chlorków w typowym zakresie dla niektórych chińskich kopalń węgla może skrócić przewidywany okres eksploatacji zwykłych kotew o więcej niż połowę. Cieplejsza skała działa w podobny sposób, choć nieco słabiej. Porównując prognozy modelu z rzeczywistą drogą szybową, gdzie kotwy były eksploatowane około roku w bardzo zasolonych warunkach, obliczona głębokość korozji i utrata wytrzymałości dobrze zgadzały się zarówno z testami laboratoryjnymi, jak i pomiarami terenowymi. Ta zgodność sugeruje, że model może pomóc inżynierom oszacować, kiedy kotwy prawdopodobnie staną się niebezpiecznie osłabione.

Bezpieczniejsze podpory dla surowych warunków kopalnianych

Aby zmniejszyć ryzyko nagłych awarii kotew w wysoce zmineralizowanych kopalniach, badanie zaleca wymianę zwykłych kotew na kotwy zabezpieczone cynkiem oraz stosowanie ocynkowanych płyt, siatek i innych elementów mocujących, aby cały system podparcia korodował wolniej i bardziej równomiernie. Wypełnianie przestrzeni wokół kotew gęstymi, alkalicznymi zaprawami i dodawanie tulei zewnętrznych może dodatkowo blokować dostęp wody bogatej w sole do stali. W połączeniu z lepszą kontrolą temperatury w kopalni oraz stałym monitorowaniem stanu podpór, te kroki mogą wydłużyć żywotność kotew i poprawić bezpieczeństwo tuneli podziemnych.

Cytowanie: Zhang, J., Li, S., Du, Z. et al. Study on corrosion behavior and mechanical performance degradation prediction of bolts in high mineralized corrosion environment. Sci Rep 16, 14885 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45566-2

Słowa kluczowe: korozja śrub, górnictwo głębinowe węglowe, kotwy ocynkowane, korozja dołkowa, prognozowanie trwałości