Corrosione
La corrosione è un fattore cruciale nella scelta dei materiali per qualsiasi impianto industriale o macchina, poiché il materiale selezionato deve resistere ai vari tipi di corrosione a cui sarà esposto. Questo articolo si concentra sui diversi tipi di corrosione e sui loro effetti sui metalli.
La corrosione è il deterioramento di un materiale a causa dell'interazione con il suo ambiente. È il processo in cui gli atomi metallici lasciano il metallo o formano composti in presenza di acqua e gas. Tutti i metalli e le leghe sono soggetti a corrosione. Anche i metalli nobili, come l'oro, possono subire attacchi corrosivi in alcuni ambienti.
La corrosione dei metalli è un processo naturale. La maggior parte dei metalli non è termodinamicamente stabile nella loro forma metallica; tendono a corrodersi e tornare alle forme più stabili che si trovano normalmente nei minerali, come gli ossidi. Anche se questa corrosione non può essere eliminata, può essere controllata.
Corrosione Generale
La corrosione generale che coinvolge acqua e acciaio generalmente risulta da un'azione chimica in cui la superficie dell'acciaio si ossida, formando ossido di ferro (ruggine). La maggior parte dei componenti negli impianti industriali è realizzata in qualche forma di ferro o acciaio (una lega a base di ferro), quindi la corrosione generale è di grande importanza.
Alcuni metodi standard per proteggere dalla corrosione generale includono:
- L'uso di materiali resistenti alla corrosione come acciaio inossidabile, nichel, cromo e leghe di molibdeno. Nota: La corrosione è di natura elettrochimica e la resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili deriva da film di ossido superficiale che interferiscono con il processo elettrochimico.
- L'uso di rivestimenti protettivi come vernici ed epossidici.
- L'applicazione di rivestimenti metallici e non metallici sulla superficie, che proteggono dalla corrosione ma consentono al materiale di mantenere la sua resistenza strutturale (ad esempio, un recipiente a pressione in acciaio al carbonio con rivestimento in acciaio inossidabile come fodera).
Corrosione Galvanica
La corrosione galvanica si verifica quando due metalli dissimili con potenziali elettrici diversi sono in contatto elettrico tra loro in un elettrolita. Esiste una differenza di potenziale elettrico tra i diversi metalli che funge da forza motrice per il flusso di corrente elettrica attraverso il corrodente o l'elettrolita; questa corrente provoca la corrosione di uno dei metalli. Maggiore è la differenza di potenziale, maggiore è la probabilità di corrosione galvanica. La corrosione galvanica causa il deterioramento di uno solo dei metalli. Il metallo meno resistente, più attivo, diventa il sito di corrosione anodico (negativo). Il metallo più forte, più nobile, è catodico (positivo) e protetto. Se non ci fosse contatto elettrico, i due metalli sarebbero attaccati uniformemente dal mezzo corrosivo e questo sarebbe quindi chiamato corrosione generale.
Sono state create tabelle di differenza di potenziale elettrico che dispongono i metalli in sequenza dal più attivo, o meno nobile, al passivo, o più nobile.
La corrosione galvanica è di particolare interesse nella progettazione e selezione dei materiali. La selezione dei materiali è importante perché diversi metalli possono entrare in contatto tra loro e formare celle galvaniche. La progettazione è importante per minimizzare le condizioni di flusso differenti e le aree risultanti di accumulo di corrosione.
In alcuni casi, la corrosione galvanica può essere utile. Ad esempio, se pezzi di zinco sono attaccati al fondo di un serbatoio d'acqua in acciaio, lo zinco diventerà l'anodo e si corroderà. L'acciaio nel serbatoio diventa il catodo e non sarà influenzato dalla corrosione. Questa tecnica è nota come protezione catodica. Il metallo da proteggere è forzato a diventare un catodo e si corroderà a un ritmo molto più lento rispetto all'altro metallo, che viene utilizzato come anodo sacrificale.
Corrosione Localizzata
La corrosione localizzata è definita come la rimozione selettiva del metallo per corrosione in piccole aree o zone su una superficie metallica a contatto con un ambiente corrosivo, solitamente un liquido. Di solito si verifica quando piccoli siti locali vengono attaccati a un ritmo molto più elevato rispetto al resto della superficie originale. La corrosione localizzata si verifica quando la corrosione lavora con altri processi distruttivi come tensione, fatica, erosione e altre forme di attacco chimico. I meccanismi di corrosione localizzata possono causare più danni di qualsiasi altro processo distruttivo individualmente. Esistono molti tipi diversi di corrosione localizzata. Pitting, cricche da corrosione sotto tensione, corrosione da cloruri sotto tensione, corrosione caustica sotto tensione, corrosione primaria sotto tensione, dentellatura dei tubi degli scambiatori di calore, usura e corrosione da attacco intergranulare, per citarne solo alcuni.
Cricche da Corrosione Sotto Tensione
Uno dei problemi metallurgici più seri e uno che è di grande preoccupazione nell'industria della generazione di energia è la cricca da corrosione sotto tensione (SCC). La SCC è un tipo di corrosione da attacco intergranulare che si verifica ai bordi dei grani sotto tensione di trazione. Tende a propagarsi man mano che la tensione apre crepe soggette a corrosione, che vengono poi ulteriormente corrose, indebolendo il metallo con ulteriori cricche. Le crepe possono seguire percorsi intergranulari o transgranulari e c'è spesso una tendenza alla ramificazione delle crepe.
Le crepe si formano e si propagano approssimativamente ad angolo retto rispetto alla direzione delle tensioni di trazione a livelli di stress molto più bassi di quelli richiesti per fratturare il materiale in assenza dell'ambiente corrosivo. Man mano che la cricca penetra ulteriormente nel materiale, riduce infine la sezione trasversale di supporto del materiale fino al punto di cedimento strutturale per sovraccarico.
Le tensioni che causano la cricca derivano da lavorazioni a freddo residue, saldature, rettifiche, trattamenti termici o tensioni applicate durante il servizio; la tensione applicata deve essere di trazione (al contrario di compressione).
La SCC si verifica nei metalli esposti a un ambiente in cui, se la tensione non fosse presente o fosse a livelli molto più bassi, non ci sarebbe danno. Se la struttura, soggetta alle stesse tensioni, fosse in un ambiente diverso (non corrosivo per quel materiale), non ci sarebbe alcun cedimento. Esempi di SCC nell'industria della generazione di energia sono le crepe nei sistemi di tubazioni in acciaio inossidabile e negli steli delle valvole in acciaio inossidabile.
I mezzi più efficaci per prevenire la SCC sono:
- Progettazione adeguata.
- Riduzione della tensione.
- Rimozione delle specie ambientali critiche come idrossidi, cloruri e ossigeno.
- Evitare aree stagnanti e fessure negli scambiatori di calore dove cloruri e idrossidi potrebbero concentrarsi.
Gli acciai a bassa lega sono meno suscettibili alla SCC rispetto agli acciai ad alta lega, ma sono soggetti a SCC in acqua contenente ioni cloruro. Le leghe a base di nichel, tuttavia, non sono influenzate dagli ioni cloruro o idrossido.
Un esempio di lega a base di nichel resistente alla cricca da corrosione sotto tensione è l'Inconel. L'Inconel è composto dal 72% di nichel, 14-17% di cromo, 6-10% di ferro e piccole quantità di manganese, carbonio e rame.
Corrosione da Cloruri Sotto Tensione
La corrosione da cloruri sotto tensione è un tipo di corrosione intergranulare e si verifica negli acciai inossidabili austenitici sotto tensione di trazione in presenza di ossigeno, ioni cloruro e alta temperatura.
Si pensa che inizi con depositi di carburo di cromo lungo i bordi dei grani che lasciano il metallo aperto alla corrosione. Questa forma di corrosione è controllata mantenendo basso il contenuto di ioni cloruro e ossigeno nell'ambiente e utilizzando acciai a basso contenuto di carbonio.
Corrosione Caustica Sotto Tensione
Nonostante l'ampia qualificazione dell'Inconel per applicazioni specifiche, sono emersi numerosi problemi di corrosione con i tubi in Inconel. Una resistenza migliorata alla cricca da corrosione caustica sotto tensione può essere conferita all'Inconel trattandolo termicamente a 620°C-705°C, a seconda della temperatura di trattamento in soluzione precedente, ma altri problemi osservati con l'Inconel includono usura, dentellatura dei tubi, pitting e attacco intergranulare.
Riepilogo
Le informazioni importanti in questa sezione sono riassunte di seguito:
Riepilogo della Corrosione
- La corrosione è il deterioramento naturale di un metallo in cui gli atomi metallici lasciano il metallo o formano composti in presenza di acqua o gas. La corrosione generale può essere minimizzata utilizzando materiali resistenti alla corrosione e aggiungendo rivestimenti e fodere protettive.
- La corrosione galvanica si verifica quando metalli dissimili esistono a potenziali elettrici diversi in presenza di un elettrolita. La corrosione galvanica può essere ridotta con una progettazione e selezione dei materiali accurata e l'uso di anodi sacrificali.
- La corrosione localizzata può essere particolarmente dannosa in presenza di altre forze distruttive come tensione, fatica e altre forme di attacco chimico.
- La cricca da corrosione sotto tensione si verifica ai bordi dei grani sotto tensione di trazione. Si propaga man mano che la tensione apre crepe soggette a corrosione, indebolendo infine il metallo fino al cedimento. I mezzi efficaci per ridurre la SCC sono 1) progettazione adeguata, 2) riduzione della tensione, 3) rimozione degli agenti corrosivi e 4) evitare aree di concentrazione di ioni cloruro e idrossido.
- La corrosione da cloruri sotto tensione si verifica negli acciai inossidabili austenitici sotto tensione di trazione in presenza di ossigeno, ioni cloruro e alta temperatura. È controllata dalla rimozione di ossigeno e ioni cloruro nell'ambiente e dall'uso di acciai a basso contenuto di carbonio.
- I problemi che si verificano con l'uso dell'Inconel includono cricca da corrosione caustica sotto tensione, usura, dentellatura dei tubi, pitting e attacco intergranulare. La resistenza dell'Inconel alla cricca da corrosione caustica sotto tensione può essere migliorata con il trattamento termico.
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