Tuulivoimalan ankkuriperustuksessa käytetyn teräsvaijerin korroosiokäyttäytyminen ankkurointiolosuhteissa

Abstract

Uusiutuvien energialähteiden kasvun myötä tuulivoiman osuus energiasektorilla on kasvanut. Tämä luo myös tarpeen tarkastella tuulivoimaloiden rakenteen pitkäaikaiskestävyyttä. Tässä työssä perehdyttiin ankkuriperustetun tuulivoimalan perustuksessa käytetyn teräsvaijerin korroosiokäyttäytymiseen. Yksi motiivi korroosion tutkimiseen on sen aiheuttamat ekonomiset tappiot. Korroosio luonnonilmiönä on väistämätön, mutta metallien korroosionkestävyyteen voidaan vaikuttaa esimerkiksi niiden sähkökemiallisten ja metallurgisten ominaisuuksien kautta. Työssä syvennyttiin tapaukseen, jossa tuulivoimaloiden perustuksessa korroosionsuojamassana käytetty sementtimassa ei ollut kovettunut tarkoitetulla tavalla. Tästä johtuen pidettiin mahdollisena, että teräsvaijereissa käytetty eutektoidinen hiiliteräs voi päästä kosketuksiin pohjaveden kanssa, jolloin korroosio voi alkaa edetä teräksessä. Korroosiokäyttäytymistä tutkittiin kokeellisen osuuden altistuskokeissa. Teräsnäytteitä altistettiin vesiliuoksille, jotka simuloivat oletettuja ankkurointiolosuhteita. Puolet näytteistä oli jännitettyjä ja puolet pidettiin jännittämättöminä. Vesiliuoksissa muuttuvia tekijöitä olivat liuosten pH, kloridipitoisuus ja vesiliuosten vaihtuvuus. Altistuskokeiden jälkeisessä karakterisoinnissa käytettiin useita menetelmiä. Stereomikroskoopilla määritettiin vallitsevaa korroosiotyyppiä näytteissä. Korroosionopeuden määritys toteutettiin polarisaatiokäyrällä sekä painohäviö- ja ohentumamittauksilla. Syntyneitä korroosiotuotteita tarkasteltiin SEM:lla tehdystä EDS-analyyseistä. Ohentuma-mittaukset suoritettiin työntömitalla ja profilometrillä. Tulosten tarkastelussa voitiin todeta, että pääasialliset korroosiotyypit olivat yleinen korroosio sekä paikallisista korroosiotyypeistä pistekorroosio sekä jännittyneillä näytteillä pinnan liuskoittuminen. Korroosio esiintyi aggressiivisempana jännitetyillä näytteillä kuin jännittämättömillä näytteillä. Tämä todettiin sekä optisella menetelmällä että korroosionopeuksien määrityksestä. Osalla jännitetyistä näytteistä korroosio esiintyi myös voimakkaimmin heti nesterajapinnan alapuolella. Näytteet pH-välillä 9–12 muodostivat selkeän korroosiotuotekerrostuman ja nämä näytteet myös korrodoituivat eniten painohäviö- ja ohentumamittausten mukaan. Teräs passivoitui pH:n ollessa yli 12. Painohäviömittauksissa havaittiin myös korkeammalla kloridipitoisuudella korroosionopeuden muuttuvan koeliuoksen vaihtuvuuden funktiona. Tutkimuksessa määritetyt ohentumamittausten keskimääräiset korroosionopeudet vaihtelivat välillä 0,14–0,16 mm/vuosi ja maksimikorroosionopeudeksi määritettiin 0,69 mm/vuosi lähellä nesterajapintaa. Painohäviömittausten keskimääräinen korroosionopeus oli 0,04 mm/vuosi. Määritettyjen korroosionopeuksien pohjalta tehtiin syöpymäennuste tuulivoimalan elinajalle (30 vuotta) lineaarisena ekstrapolointina. Syöpymäennusteet olivat suhteellisen suuria. On syytä kuitenkin huomioida, että korroosionopeus hidastuu todennäköisesti altistusajan funktiona, eikä sitä tällöin voida kuvata lineaarisella mallilla. Lisäksi ankkurointiolosuhteissa nesteen ja ilman välistä rajapintaa ei todennäköisesti synny pohjaveden pinnankorkeuden ollessa korkeammalla ja hapensaanti tässä ympäristössä on hyvin rajoitettua. Ankkurointiolosuhteissa ympäristön odotetaan olevan hyvin alkalinen (pH 13–14), jolloin teräs todennäköisesti passivoituu.

The growth of renewable energy sources in the energy sector has enabled the growth of wind energy in recent years. This also creates demand to examine the long-term durability of the foundations of wind turbines. In this work, the corrosion behavior of steel wire used in a rock-anchored foundation of a wind turbine was investigated. One of the reasons to study corrosion behavior is the economic losses that it causes annually. Corrosion as a natural phenomenon is inevitable, however, the corrosion resistance of metals can be influenced by their electrochemical and metallurgical properties, for instance. This study focuses on the case where cement paste also used as a corrosion protection in the foundation of a wind turbine, did not cure properly. As a result, it was assumed to be possible that eutectoid carbon steel used in the steel wire could come into contact with groundwater, allowing corrosion to progress in the steel. The corrosion behavior was examined in the experimental section of the work by conducting corrosion tests, where steel specimens were exposed to aqueous solutions simulating the assumed anchoring conditions. Half of the samples were tensioned, and half were in the un-tensioned state. The variables in the aqueous solutions were pH, chloride content, and how often the test solutions were changed. Several methods were used for characterization after the corrosion tests. Stereomicroscopy was used to determine the predominant corrosion type in the samples. The corrosion rate was determined by polarization curve, as well as weight loss and thinning measurements. Formed corrosion products were examined by EDS analysis with SEM. Thinning measurements were performed using a vernier caliper and a profilometer. The results showed that the main types of corrosion were general corrosion and pitting corrosion. In addition, some sort of flake formation or surface striation could be identified on the surfaces of the tensioned samples. The corrosion was more aggressive on the tensioned samples than on the un-tensioned samples. This was confirmed both by optical methods and by the determination of corrosion rates. In some of the tensioned samples, corrosion was also most pronounced immediately below the surface of the liquid interface. Samples at pH 9-12 formed an intense corrosion product layer and these samples were also the most corroded according to weight loss and thinning measurements. The steel passivated at pH above 12. Weight loss measurements also showed that at higher chloride concentrations the corrosion rate changed as a function of how often the test solutions were changed. The average corrosion rates determined in the study ranged from 0.14 to 0.16 mm/year and the maximum corrosion rate was determined to be 0.69 mm/year near the surface of the nest according to the thinning measurements. The average corrosion rate determined in the weight loss measurements was 0.04 mm/year. Based on the determined corrosion rates, a prediction for corrosion progress was made for the lifetime of the wind turbine (30 years) by linear extrapolation. The corrosion predictions were relatively high. However, it should be noted that the corrosion rate is likely to slow down as a function of exposure time and for this reason, cannot be described by a linear model. In addition, under anchoring conditions, the interface between the fluid and air is unlikely to occur since the groundwater levels are higher than the depth of anchoring. Also, the oxygen supply in this environment is very limited. Under anchoring conditions, the environment is expected to be very alkaline (pH 13-14), and steel is likely to be passivated.