Korozja i Rodzaje Korozji

Korozja

Korozja jest kluczowym czynnikiem przy wyborze materiału dla każdej instalacji przemysłowej lub maszyny, ponieważ wybrany materiał musi być odporny na różne rodzaje korozji, na które będzie narażony. Ten artykuł koncentruje się na różnych rodzajach korozji i ich wpływie na metale.

Korozja to degradacja materiału w wyniku interakcji z jego otoczeniem. Jest to proces, w którym atomy metalu opuszczają metal lub tworzą związki w obecności wody i gazów. Wszystkie metale i stopy są podatne na korozję. Nawet metale szlachetne, takie jak złoto, mogą ulegać korozji w specyficznych warunkach.

Korozja metali jest procesem naturalnym. Większość metali nie jest termodynamicznie stabilna w swojej metalicznej formie; dążą do korodowania i powrotu do bardziej stabilnych form, które zwykle występują w rudach, takich jak tlenki. Chociaż tej korozji nie można wyeliminować, można ją kontrolować.

Korozja Ogólna

Korozja ogólna związana z wodą i stalą zazwyczaj wynika z reakcji chemicznej, gdzie powierzchnia stali utlenia się, tworząc tlenek żelaza (rdza). Większość elementów w zakładach przemysłowych jest wykonana z jakiejś formy żelaza lub stali (stopu na bazie żelaza), więc korozja ogólna ma duże znaczenie. 

Niektóre standardowe metody związane z wyborem materiału, które chronią przed korozją ogólną, obejmują:

• Użycie materiałów odpornych na korozję, takich jak stal nierdzewna, stopy niklu, chromu i molibdenu. Uwaga: Należy pamiętać, że korozja ma charakter elektrochemiczny, a odporność na korozję stali nierdzewnych wynika z powierzchniowych filmów tlenkowych, które zakłócają proces elektrochemiczny.
• Użycie powłok ochronnych, takich jak farby i epoksydy.
• Zastosowanie powłok metalicznych i niemetalicznych lub wykładzin na powierzchni, które chronią przed korozją, ale pozwalają materiałowi zachować swoją wytrzymałość strukturalną (na przykład naczynie ciśnieniowe ze stali węglowej z wykładziną ze stali nierdzewnej).

Korozja Galwaniczna

Korozja galwaniczna występuje, gdy dwa różne metale o różnych potencjałach elektrycznych są w kontakcie elektrycznym ze sobą w elektrolicie. Istnieje różnica potencjałów elektrycznych między różnymi metalami, która służy jako siła napędowa dla przepływu prądu elektrycznego przez korodent lub elektrolit; ten prąd powoduje korozję jednego z metali. Im większa różnica potencjałów, tym większe prawdopodobieństwo korozji galwanicznej. Korozja galwaniczna powoduje jedynie pogorszenie stanu jednego z metali. Mniej odporny, bardziej aktywny metal staje się anodowym (ujemnym) miejscem korozji. Silniejszy, bardziej szlachetny metal jest katodowy (dodatni) i chroniony. Gdyby nie było kontaktu elektrycznego, oba metale byłyby równomiernie atakowane przez medium korozyjne, co nazywałoby się wtedy korozją ogólną.

Stworzono tabele różnicy potencjałów elektrycznych, które układają metale sekwencyjnie od najbardziej aktywnych, lub najmniej szlachetnych, do pasywnych, lub najbardziej szlachetnych. 

Korozja galwaniczna jest szczególnie istotna w projektowaniu i doborze materiałów. Wybór materiałów jest ważny, ponieważ różne metale mogą wchodzić w kontakt ze sobą i tworzyć ogniwa galwaniczne. Projektowanie jest ważne, aby zminimalizować różne warunki przepływu i wynikające z tego obszary nagromadzenia korozji.

W niektórych przypadkach korozja galwaniczna może być pomocna. Na przykład, jeśli kawałki cynku są przymocowane do dna stalowego zbiornika wodnego, cynk stanie się anodą i będzie korodował. Stal w zbiorniku stanie się katodą i nie będzie podlegała korozji. Ta technika jest znana jako ochrona katodowa. Metal, który ma być chroniony, jest zmuszony stać się katodą i będzie korodował znacznie wolniej niż inny metal, który jest używany jako anoda ofiarna.

Korozja Lokalna

Korozja lokalna jest definiowana jako selektywne usuwanie metalu przez korozję w małych obszarach lub strefach na powierzchni metalu w kontakcie z korozyjnym środowiskiem, zwykle cieczą. Zwykle ma miejsce, gdy małe lokalne miejsca są atakowane w znacznie wyższym tempie niż reszta pierwotnej powierzchni. Korozja lokalna występuje, gdy korozja współdziała z innymi destrukcyjnymi procesami, takimi jak naprężenia, zmęczenie, erozja i inne formy ataku chemicznego. Mechanizmy korozji lokalnej mogą powodować większe szkody niż którykolwiek z tych destrukcyjnych procesów indywidualnie. Istnieje wiele różnych rodzajów korozji lokalnej. Wżery, pękanie korozyjne naprężeniowe, korozja naprężeniowa chlorkowa, korozja naprężeniowa kaustyczna, korozja naprężeniowa po stronie pierwotnej, wgniatanie rur wymienników ciepła, zużycie i korozja międzykrystaliczna, to tylko niektóre z nich.

Pękanie Korozyjne Naprężeniowe

Jednym z najpoważniejszych problemów metalurgicznych i jednym z głównych problemów w przemyśle energetycznym jest pękanie korozyjne naprężeniowe (SCC). SCC jest rodzajem korozji międzykrystalicznej, która występuje na granicach ziaren pod naprężeniem rozciągającym. Ma tendencję do propagacji, gdy naprężenie otwiera pęknięcia, które są podatne na korozję, a następnie są dalej korodowane, osłabiając metal przez dalsze pękanie. Pęknięcia mogą przebiegać ścieżkami międzykrystalicznymi lub transkrystalicznymi, a często występuje tendencja do rozgałęziania się pęknięć.

Pęknięcia tworzą się i propagują mniej więcej pod kątem prostym do kierunku naprężeń rozciągających przy poziomach naprężeń znacznie niższych niż te wymagane do złamania materiału w przypadku braku korozyjnego środowiska. Gdy pęknięcia penetrują dalej w materiał, ostatecznie zmniejszają wspierający przekrój materiału do punktu awarii strukturalnej z przeciążenia.

Naprężenia powodujące pękanie wynikają z resztkowej obróbki na zimno, spawania, szlifowania, obróbki cieplnej lub naprężeń stosowanych podczas eksploatacji; naprężenie stosowane musi być rozciągające (w przeciwieństwie do ściskającego).

SCC występuje w metalach narażonych na środowisko, w którym, gdyby naprężenie nie było obecne lub było na znacznie niższych poziomach, nie byłoby uszkodzeń. Gdyby struktura, poddana tym samym naprężeniom, znajdowała się w innym środowisku (nieszkodliwym dla tego materiału), nie doszłoby do awarii. Przykłady SCC w przemyśle energetycznym to pęknięcia w systemach rur ze stali nierdzewnej i trzpieniach zaworów ze stali nierdzewnej.

Najskuteczniejsze środki zapobiegające SCC to: 

1. Prawidłowe projektowanie.
2. Redukcja naprężeń.
3. Usuwanie krytycznych gatunków środowiskowych, takich jak wodorotlenki, chlorki i tlen.
4. Unikanie obszarów stagnacji i szczelin w wymiennikach ciepła, gdzie chlorki i wodorotlenki mogą się koncentrować. 

Stale niskostopowe są mniej podatne na SCC niż stale wysokostopowe, ale są podatne na SCC w wodzie zawierającej jony chlorkowe. Stopy na bazie niklu, jednakże, nie są dotknięte przez jony chlorkowe lub wodorotlenkowe.

Przykładem stopu na bazie niklu, który jest odporny na pękanie korozyjne naprężeniowe, jest Inconel. Inconel składa się z 72% niklu, 14-17% chromu, 6-10% żelaza i małych ilości manganu, węgla i miedzi.

Korozja Naprężeniowa Chlorkowa

Korozja naprężeniowa chlorkowa jest rodzajem korozji międzykrystalicznej i występuje w austenitycznej stali nierdzewnej pod naprężeniem rozciągającym w obecności tlenu, jonów chlorkowych i wysokiej temperatury.

Uważa się, że zaczyna się od osadów węglików chromu wzdłuż granic ziaren, które pozostawiają metal otwarty na korozję. Ta forma korozji jest kontrolowana przez utrzymanie niskiej zawartości jonów chlorkowych i tlenu w środowisku oraz użycie stali niskowęglowych.

Korozja Naprężeniowa Kaustyczna

Pomimo szerokiej kwalifikacji Inconelu do określonych zastosowań, pojawiło się wiele problemów korozyjnych z rurami Inconelu. Poprawiona odporność na pękanie korozyjne naprężeniowe kaustyczne może być nadana Inconelowi przez obróbkę cieplną w temperaturze od 620°C do 705°C, w zależności od wcześniejszej temperatury obróbki roztworowej, ale inne problemy, które zostały zaobserwowane z Inonelem, obejmują zużycie, wgniatanie rur, wżery i atak międzykrystaliczny.

Podsumowanie

Ważne informacje w tej sekcji są podsumowane poniżej:

Podsumowanie Korozji

• Korozja jest naturalnym pogorszeniem stanu metalu, w którym atomy metaliczne opuszczają metal lub tworzą związki w obecności wody lub gazów. Korozję ogólną można zminimalizować poprzez użycie materiałów odpornych na korozję oraz dodanie powłok ochronnych i wykładzin.
• Korozja galwaniczna występuje, gdy różne metale istnieją przy różnych potencjałach elektrycznych w obecności elektrolitu. Korozję galwaniczną można zmniejszyć poprzez staranne projektowanie i wybór materiałów oraz użycie anod ofiarnych.
• Korozja lokalna może być szczególnie szkodliwa w obecności innych destrukcyjnych sił, takich jak naprężenia, zmęczenie i inne formy ataku chemicznego.
• Pękanie korozyjne naprężeniowe występuje na granicach ziaren pod naprężeniem rozciągającym. Propaguje się, gdy naprężenie otwiera pęknięcia, które są podatne na korozję, ostatecznie osłabiając metal aż do awarii. Skuteczne środki zmniejszające SCC to 1) prawidłowe projektowanie, 2) redukcja naprężeń, 3) usuwanie czynników korozyjnych i 4) unikanie obszarów koncentracji jonów chlorkowych i wodorotlenkowych.
• Korozja naprężeniowa chlorkowa występuje w austenitycznych stalach nierdzewnych pod naprężeniem rozciągającym w obecności tlenu, jonów chlorkowych i wysokiej temperatury. Jest kontrolowana przez usunięcie tlenu i jonów chlorkowych w środowisku oraz użycie stali niskowęglowych.
• Problemy występujące przy użyciu Inconelu obejmują pękanie korozyjne naprężeniowe kaustyczne, zużycie, wgniatanie rur, wżery i atak międzykrystaliczny. Odporność Inconelu na pękanie korozyjne naprężeniowe kaustyczne można poprawić poprzez obróbkę cieplną.