Korrosion und Korrosionsarten

Korrosion

Korrosion ist ein entscheidender Faktor bei der Auswahl von Materialien für jede Industrieanlage oder Maschine, da das ausgewählte Material den verschiedenen Korrosionsarten widerstehen muss, denen es ausgesetzt sein wird. Dieser Artikel konzentriert sich auf verschiedene Korrosionsarten und deren Auswirkungen auf Metalle.

Korrosion ist der Verfall eines Materials durch Wechselwirkung mit seiner Umgebung. Es ist der Prozess, bei dem metallische Atome das Metall verlassen oder Verbindungen bilden, in Anwesenheit von Wasser und Gasen. Alle Metalle und Legierungen sind korrosionsanfällig. Selbst die edlen Metalle, wie Gold, sind in einigen Umgebungen anfällig für korrosiven Angriff.

Die Korrosion von Metallen ist ein natürlicher Prozess. Die meisten Metalle sind in ihrer metallischen Form thermodynamisch nicht stabil; sie neigen dazu, zu den stabileren Formen zurückzukehren, die normalerweise in Erzen vorkommen, wie Oxide. Auch wenn diese Korrosion nicht beseitigt werden kann, kann sie kontrolliert werden.

Allgemeine Korrosion

Allgemeine Korrosion, die Wasser und Stahl betrifft, resultiert im Allgemeinen aus einer chemischen Reaktion, bei der die Stahloberfläche oxidiert und Eisenoxid (Rost) bildet. Die meisten Komponenten in Industrieanlagen bestehen aus irgendeiner Form von Eisen oder Stahl (einer eisenbasierten Legierung), daher ist allgemeine Korrosion von großer Bedeutung. 

Einige Standardmethoden zur Materialauswahl, die gegen allgemeine Korrosion schützen, umfassen:

• Die Verwendung von korrosionsbeständigen Materialien wie Edelstahl, Nickel-, Chrom- und Molybdänlegierungen. Hinweis: Beachten Sie, dass die Korrosion elektrochemischer Natur ist und die Korrosionsbeständigkeit der Edelstähle auf Oberflächenoxidfilmen beruht, die den elektrochemischen Prozess stören.
• Die Verwendung von Schutzbeschichtungen wie Farben und Epoxiden.
• Die Anwendung von metallischen und nichtmetallischen Beschichtungen oder Auskleidungen auf der Oberfläche, die gegen Korrosion schützen, aber es dem Material ermöglichen, seine strukturelle Festigkeit zu behalten (zum Beispiel ein Druckbehälter aus Kohlenstoffstahl mit Edelstahlverkleidung als Auskleidung).

Galvanische Korrosion

Galvanische Korrosion tritt auf, wenn zwei ungleiche Metalle mit unterschiedlichen elektrischen Potenzialen in elektrischem Kontakt miteinander in einem Elektrolyten stehen. Ein Unterschied im elektrischen Potenzial besteht zwischen den verschiedenen Metallen und dient als treibende Kraft für den elektrischen Stromfluss durch das Korrosionsmittel oder den Elektrolyten; dieser Strom führt zur Korrosion eines der Metalle. Je größer der Potenzialunterschied, desto größer die Wahrscheinlichkeit einer galvanischen Korrosion. Galvanische Korrosion verursacht nur den Verfall eines der Metalle. Das weniger widerstandsfähige, aktivere Metall wird zur anodischen (negativen) Korrosionsstelle. Das stärkere, edlere Metall ist kathodisch (positiv) und geschützt. Wenn kein elektrischer Kontakt bestünde, würden die beiden Metalle gleichmäßig vom korrosiven Medium angegriffen, und dies würde dann als allgemeine Korrosion bezeichnet.

Es wurden Tabellen mit elektrischen Potenzialunterschieden erstellt, die Metalle sequentiell vom aktivsten oder am wenigsten edlen bis zum passivsten oder edelsten anordnen. 

Galvanische Korrosion ist von besonderer Bedeutung bei der Konstruktion und Materialauswahl. Die Materialauswahl ist wichtig, da verschiedene Metalle miteinander in Kontakt kommen und galvanische Zellen bilden können. Die Konstruktion ist wichtig, um unterschiedliche Strömungsbedingungen und daraus resultierende Bereiche von Korrosionsansammlungen zu minimieren.

In einigen Fällen kann galvanische Korrosion hilfreich sein. Zum Beispiel, wenn Zinkstücke am Boden eines Stahlwassertanks angebracht werden, wird das Zink zur Anode und es wird korrodieren. Der Stahl im Tank wird zur Kathode und wird nicht von Korrosion betroffen sein. Diese Technik ist als kathodischer Schutz bekannt. Das zu schützende Metall wird gezwungen, zur Kathode zu werden, und es wird viel langsamer korrodieren als das andere Metall, das als Opferanode verwendet wird.

Lokalisierte Korrosion

Lokalisierte Korrosion wird definiert als die selektive Entfernung von Metall durch Korrosion an kleinen Bereichen oder Zonen auf einer Metalloberfläche, die mit einer korrosiven Umgebung, normalerweise einer Flüssigkeit, in Kontakt steht. Sie tritt normalerweise auf, wenn kleine lokale Stellen viel schneller angegriffen werden als der Rest der ursprünglichen Oberfläche. Lokalisierte Korrosion tritt auf, wenn Korrosion mit anderen zerstörerischen Prozessen wie Spannung, Ermüdung, Erosion und anderen Formen von chemischen Angriffen zusammenwirkt. Mechanismen der lokalisierten Korrosion können mehr Schaden anrichten als jeder dieser zerstörerischen Prozesse einzeln. Es gibt viele verschiedene Arten von lokalisierter Korrosion. Lochfraß, Spannungsrisskorrosion, Chloridspannungsrisskorrosion, kaustische Spannungsrisskorrosion, primäre Spannungsrisskorrosion, Wärmetauscherrohrverbeulung, Abnutzung und intergranulare Angriffskorrosion, um nur einige zu nennen.

Spannungsrisskorrosion

Eines der ernsthaftesten metallurgischen Probleme und eines, das in der Energieerzeugungsindustrie von großer Bedeutung ist, ist die Spannungsrisskorrosion (SCC). SCC ist eine Art von intergranularer Angriffskorrosion, die an den Korngrenzen unter Zugspannung auftritt. Sie neigt dazu, sich auszubreiten, wenn Spannungen Risse öffnen, die korrosionsanfällig sind und dann weiter korrodiert werden, wodurch das Metall durch weiteres Reißen geschwächt wird. Die Risse können intergranulare oder transgranulare Pfade folgen, und es gibt oft eine Tendenz zur Rissverzweigung.

Die Risse bilden sich und breiten sich ungefähr im rechten Winkel zur Richtung der Zugspannungen bei Spannungsniveaus aus, die viel niedriger sind als die, die erforderlich wären, um das Material in Abwesenheit der korrosiven Umgebung zu brechen. Wenn das Reißen weiter in das Material eindringt, reduziert es schließlich den tragenden Querschnitt des Materials bis zum Punkt des strukturellen Versagens durch Überlastung.

Spannungen, die Risse verursachen, entstehen durch verbleibende Kaltverformung, Schweißen, Schleifen, Wärmebehandlung oder während des Betriebs aufgebrachte Spannungen; die aufgebrachte Spannung muss Zugspannung sein (im Gegensatz zu Druckspannung).

SCC tritt in Metallen auf, die einer Umgebung ausgesetzt sind, in der, wenn die Spannung nicht vorhanden wäre oder auf viel niedrigeren Niveaus läge, kein Schaden entstehen würde. Wenn die Struktur, die denselben Spannungen ausgesetzt ist, sich in einer anderen Umgebung (nicht korrosiv für dieses Material) befände, gäbe es keinen Ausfall. Beispiele für SCC in der Energieerzeugungsindustrie sind Risse in Edelstahlrohrsystemen und Edelstahlventilstangen.

Die effektivsten Mittel zur Verhinderung von SCC sind: 

1. Richtige Konstruktion.
2. Reduzierung der Spannung.
3. Entfernung kritischer Umweltspezies wie Hydroxide, Chloride und Sauerstoff.
4. Vermeidung von stagnierenden Bereichen und Spalten in Wärmetauschern, in denen sich Chlorid und Hydroxid konzentrieren könnten. 

Niedriglegierte Stähle sind weniger anfällig für SCC als hochlegierte Stähle, aber sie sind anfällig für SCC in Wasser, das Chloridionen enthält. Nickelbasierte Legierungen sind jedoch nicht von Chlorid- oder Hydroxidionen betroffen.

Ein Beispiel für eine nickelbasierte Legierung, die gegen Spannungsrisskorrosion resistent ist, ist Inconel. Inconel besteht aus 72% Nickel, 14-17% Chrom, 6-10% Eisen und kleinen Mengen an Mangan, Kohlenstoff und Kupfer.

Chloridspannungsrisskorrosion

Chloridspannungsrisskorrosion ist eine Art von intergranularer Korrosion und tritt in austenitischem Edelstahl unter Zugspannung in Anwesenheit von Sauerstoff, Chloridionen und hoher Temperatur auf.

Es wird angenommen, dass es mit Chromkarbidablagerungen entlang der Korngrenzen beginnt, die das Metall für Korrosion anfällig machen. Diese Form der Korrosion wird durch die Aufrechterhaltung eines niedrigen Gehalts an Chloridionen und Sauerstoff in der Umgebung und die Verwendung von kohlenstoffarmen Stählen kontrolliert.

Kaustische Spannungsrisskorrosion

Trotz der umfangreichen Qualifikation von Inconel für spezifische Anwendungen sind eine Reihe von Korrosionsproblemen mit Inconel-Rohren aufgetreten. Eine verbesserte Beständigkeit gegen kaustische Spannungsrisskorrosion kann Inconel durch Wärmebehandlung bei 620°C bis 705°C gegeben werden, abhängig von der vorherigen Lösungstemperatur, aber andere Probleme, die mit Inconel beobachtet wurden, umfassen Abnutzung, Rohrverbeulung, Lochfraß und intergranulare Angriffe.

Zusammenfassung

Die wichtigen Informationen in diesem Abschnitt sind unten zusammengefasst:

Korrosionszusammenfassung

• Korrosion ist der natürliche Verfall eines Metalls, bei dem metallische Atome das Metall verlassen oder Verbindungen in Anwesenheit von Wasser oder Gasen bilden. Allgemeine Korrosion kann durch die Verwendung von korrosionsbeständigen Materialien und das Hinzufügen von Schutzbeschichtungen und Auskleidungen minimiert werden.
• Galvanische Korrosion tritt auf, wenn ungleiche Metalle bei unterschiedlichen elektrischen Potenzialen in Anwesenheit eines Elektrolyten existieren. Galvanische Korrosion kann durch sorgfältige Konstruktion und Auswahl der Materialien sowie durch die Verwendung von Opferanoden reduziert werden.
• Lokalisierte Korrosion kann besonders schädlich sein in Anwesenheit anderer zerstörerischer Kräfte wie Spannung, Ermüdung und anderer Formen von chemischen Angriffen.
• Spannungsrisskorrosion tritt an Korngrenzen unter Zugspannung auf. Sie breitet sich aus, wenn Spannungen Risse öffnen, die korrosionsanfällig sind, und schwächt letztendlich das Metall bis zum Versagen. Effektive Mittel zur Reduzierung von SCC sind 1) richtige Konstruktion, 2) Reduzierung der Spannung, 3) Entfernung von korrosiven Agenzien und 4) Vermeidung von Bereichen mit Chlorid- und Hydroxidionenkonzentration.
• Chloridspannungsrisskorrosion tritt in austenitischen Edelstählen unter Zugspannung in Anwesenheit von Sauerstoff, Chloridionen und hoher Temperatur auf. Sie wird durch die Entfernung von Sauerstoff und Chloridionen in der Umgebung und die Verwendung von kohlenstoffarmen Stählen kontrolliert.
• Probleme bei der Verwendung von Inconel umfassen kaustische Spannungsrisskorrosion, Abnutzung, Rohrverbeulung, Lochfraß und intergranulare Angriffe. Die Beständigkeit von Inconel gegen kaustische Spannungsrisskorrosion kann durch Wärmebehandlung verbessert werden.