Investigation of melting rate and corrosion behaviour of de-icing agents for winter service

Abstract

Die Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) haben die gesetzliche Verpflichtung Winterräumungsarbeiten für über 5000 km Schienennetzwerk und ungefähr 1100 Bahnhöfe und Haltestellen durchzuführen. Die Kosten für den ÖBB Konzern belaufen sich dabei auf etwa 40 Mio. Euro pro Jahr. Benutzt werden dafür Tausalze auf Basis von Natriumchlorid (NaCl),was beträchtliche Korrosionsschäden zur Folge hat. Um die Kosten für diese Schäden zu verringern, wurde die TU Wien beauftragt eine Anzahl gebräuchlicher Tausalze auf Taurate,Korrosionsverhalten und Lager- und Verteilungsfähigkeit zu untersuchen und eine Kostenrechnung aufzustellen. Diese Liste an Daten soll als Grundlage dienen, das am besten geeignete Taumittel für die ÖBB zu finden.Für dieses Projekt wurden zwei Messsysteme erstellt, eines wurde benutzt um Taurate und Tauleistung genau und zeiteffizient zu bestimmen, mit dem anderen wurde das Korrosionsverhalten von Tausalzen auf Metalloberflächen untersucht. Für das Tauratenexperiment wurde eine komplett neue Messmethode entwickelt, mit der es möglich ist,präzise die Zeit zu messen, welche eine definierte Masse an Tausalz braucht, um eine definierte Masse an Eis zu schmelzen. Um das Korrosionsverhalten bestimmen zu können, wurde eine Korrosionskammer gebaut, die Metallplatten abwechselnd dem Tausalz und Luftsauerstoff aussetzt. Nach einer bestimmten Zeit wurde die Masse an Korrosionsprodukten bestimmt undso die Korrosionsrate ermittelt.Zusätzlich wurde an den korrodierten Metallplatten chemische Analysen durchgeführt. Ziel davon war es Informationen über den Korrosionsprozess von Metallen in Anwesenheit von Salzwasser zu gewinnen und eine Möglichkeit zu entwickeln, den Korrosionsfortschritt an exponierten Stellen zu bestimmen. Benutzt wurden Profilometrie,Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Röntgendiffraktometrie (XRD) umchemische Zusammensetzung, Rauheit und Korrosionsrate der Metalloberfläche und der Korrosionsprodukte zu untersuchen.

The Austrian Federal Railways (Österreichische Bundesbahnen ÖBB) have the legal obligation to provide winter maintenance services for about 5000 km of rail network and about 1100 railway stations in all of Austria. This costs the ÖBB group about 40 Mio Euros per year. To reduce de-icing salt induced corrosion and therefore save considerable budget every year, they commissioned a project to the TU Wien, in which a comprehensive list should be compiled with data on every available de-icing salt. This information should include melting rate, corrosion behaviour, storage and dispersion capabilities, impact on the environment and costs. Based on this evaluation, it should be easy to pick the best de-icing agent for every situation, providing adequate winter maintenance at the lowest possible costs, and with the least harm done to corrodible structures and the environment. For this undertaking, two experiments were designed and built, one for measuring the melting rate precisely and efficiently, and a second one for evaluating the corrosion behaviour of de-icing agents on metal samples. For the melting rate an entirely new method was developed, measuring the time it takes for an ice sample to melt under the influence of a de-icing salt at a constant temperature. For the corrosion behaviour metal plates were weathered with de-icing salt solutions and the amount of corrosion products was determined.Additionally, chemical analysis was performed on the corroded metal samples to gain information about the corrosion process in saltwater environment and subsequently establish a method to measure the progress of corrosion on an exposed structure. With profilometry, X-ray photoelectron spectroscopy and X- ray powder diffraction the surface of the samples and the bulk of the corrosion products were analysed to determine chemical composition, roughness, and corrosion rate.