Aplinkos įtaka metalo korozijos procesui
Korozija yra metalo irimo procesas dėl cheminių arba elektrocheminių reakcijų su aplinka. Kasdieniame gyvenime koroziją lengviausiai atpažįstame kaip „rūdis“ ant geležies, tačiau ji iš tikrųjų gali pasireikšti įvairių tipų metaluose, tokiuose kaip plienas, aliuminis, varis, cinkas ir net specialūs pramonėje naudojami lydiniai. Poveikis yra ne tik estetinis: korozija sumažina mechaninį stiprumą, sutrumpina įrangos tarnavimo laiką, padidina priežiūros išlaidas, o kai kuriais atvejais gali sukelti pavojingus konstrukcinius gedimus. Kadangi korozijai didelę įtaką daro aplinkos sąlygos, aplinkos poveikio supratimas yra labai svarbus žingsnis siekiant jos išvengti arba sulėtinti.
Korozijos proceso pagrindai: elektrocheminės reakcijos
Gamtoje metalų korozija dažniausiai vyksta elektrocheminiais mechanizmais. Metalo paviršiai turi mikroanodų ir katodų sritis, susidarančias dėl sudėties skirtumų, liekamųjų įtempių arba sąlyčio su kitais metalais. Anode metalas oksiduojasi (išsiskirdamas elektronus) ir ištirpsta jonų pavidalu:
M → Mⁿ⁺ + ne⁻
Išsiskyrę elektronai teka į katodo sritį ir yra naudojami redukcijos reakcijoms, pavyzdžiui, deguonies redukcijai neutraliame tirpale:
O₂ + 2H4O + 4e⁻ → XNUMXOH⁻
Elektrolitų (vandens, kuriame yra jonų), deguonies ir tam tikrų aplinkos sąlygų buvimas nulems, kaip greitai vyks ši reakcijų serija. Štai kodėl metalai gali ilgiau išsilaikyti sausame ore, o drėgnoje aplinkoje arba jūros vandenyje jie skyla greičiau.
1. Drėgmė ir vandens buvimas
Svarbiausias koroziją lemiantis aplinkos veiksnys yra vanduo. Vanduo leidžia metalo paviršiuje susidaryti elektrolito sluoksniui, kuris leidžia jonams judėti ir vykti elektrocheminėms reakcijoms. Labai sausame ore korozijos greitis paprastai būna mažas, nes nėra jonus laidžios terpės.
Santykinė drėgmė dažnai yra svarbus parametras. Esant tam tikram drėgmės lygiui – daugeliu atmosferos sąlygų paprastai viršijančiam apie 60–70 % – metaliniai paviršiai gali sudaryti ploną vandens plėvelę, kurios pakanka korozijai sukelti. Naktinis kondensatas, rasa arba temperatūros skirtumai, dėl kurių vamzdžiai ir rezervuarai prakaituoja, taip pat pagreitina koroziją, sukurdami agresyvų drėgmės ir sausumo ciklą.
Šlapio ir sauso ciklo metu susidarantys paviršiai yra pavojingi, nes paviršiui džiūstant, ištirpusios druskos ar teršalai tampa labiau koncentruoti, todėl likęs vanduo tampa laidesnis ir reakcija pagreitėja. Kai paviršius vėl sušlapsta, jonai ištirpsta, išplėsdami atakos plotą.
2. Ištirpęs deguonis ir diferencinė aeracija
Deguonis yra pagrindinis katodinių reakcijų variklis daugeliu korozijos atvejų. Didelė deguonies koncentracija aplinkoje linkusi paspartinti koroziją, tačiau yra išimčių: kai kurie metalai, pavyzdžiui, aliuminis ir nerūdijantis plienas, gali sudaryti pasyvų sluoksnį (ploną oksidą), kuris yra stabilus deguonies prisotintomis sąlygomis ir todėl atsparesnis.
Kita didelė problema yra skirtinga aeracija, t. y. deguonies lygio skirtumas skirtingose vietose. Pavyzdžiui, metalinėse dalyse, padengtose nuosėdomis, purvu ar esančiose plyšiuose, deguonies lygis yra mažesnis nei atvirose vietose. Šis skirtumas sukuria korozijos elementą: deguonies neturtinga vieta tampa anodu ir greičiau ištirpsta. Todėl korozija dažnai būna stipri po tarpinėmis, varžtinėmis jungtimis, iš dalies dažytomis dalimis arba nešvariomis vietomis.
3. Aplinkos temperatūra
Apskritai, didėjant temperatūrai, cheminių ir elektrocheminių reakcijų greitis didėja, todėl aukštesnėje temperatūroje korozija linkusi spartėti. Pramoninėje aplinkoje, pavyzdžiui, katiluose, garo vamzdžiuose ar naftos perdirbimo gamyklose, temperatūra taip pat gali pagreitinti jonų difuziją ir pažeisti apsaugines dangas.
Tačiau temperatūros poveikis ne visada yra tiesinis. Vandenyje, kylant temperatūrai, deguonies tirpumas mažėja. Tai reiškia, kad tam tikrose sistemose didėjanti temperatūra gali sumažinti ištirpusio deguonies kiekį, tačiau reakciją greitinantis poveikis paprastai išlieka dominuojantis, ypač kai palaikomas skysčio srautas ir deguonies tiekimas.
Be to, temperatūra vaidina svarbų vaidmenį kondensato susidarymui. Vamzdžiai, kuriais teka šalti skysčiai drėgname ore, kondensuoja vandenį ant išorinio paviršiaus, sudarydami idealias sąlygas atmosferinei korozijai.
4. pH: rūgštingumas ir šarmingumas
Rūgštingumo laipsnis (pH) turi įtakos korozijos produktų stabilumui ir dominuojančiam katodinės reakcijos tipui. Rūgštingoje aplinkoje (žemas pH) dažniausia redukcijos reakcija yra vandenilio jonų redukcija į vandenilio dujas:
2H⁺ + 2e⁻ → H₂
Tai gali paspartinti daugelio metalų, ypač anglinio plieno, koroziją. Labai rūgštingoje aplinkoje apsauginis oksido sluoksnis linkęs ištirpti, palikdamas metalo paviršių atvirą.
Šarminėje aplinkoje kai kurie metalai gali būti atsparesni dėl susidariusio santykinai stabilaus oksido / hidroksido sluoksnio. Tačiau stiprios bazės taip pat gali atakuoti tam tikrus metalus ir pažeisti pasyvųjį sluoksnį, priklausomai nuo medžiagos tipo ir esančių jonų.
5. Druskos ir chlorido jonai: pagrindiniai priešai jūrų aplinkoje
Jūros vanduo ir pakrančių aplinka yra pagarsėjusios korozijos savybe, daugiausia dėl jose esančio chlorido (Cl⁻). Chlorido jonai padidina tirpalo laidumą, padidindami korozijos srovę. Dar svarbiau, kad chloridas gali prasiskverbti arba pažeisti pasyvųjį nerūdijančio plieno ir aliuminio sluoksnį, sukeldamas taškinę koroziją, kuri yra pavojinga, nes vyksta lokaliai, bet gali prasiskverbti pro medžiagos storį be matomų, vienodų pažeidimų.
Pakrančių zonose pavojingas ne tik tiesioginis jūros vanduo, bet ir vėjo nešami druskos aerozoliai, kurie prilimpa prie konstrukcijų paviršių. Padidėjus drėgmei, druskos ištirpsta ir sudaro koncentruotus elektrolitus, kurie spartina atmosferos koroziją.
6. Oro teršalai: SO₂, NOₓ ir atmosferos korozija
Pramoninėse arba miesto zonose tokie teršalai kaip sieros dioksidas (SO₂) ir azoto oksidai (NOₓ) gali ištirpti vandenyje (rasoje arba lietuje) ir sudaryti rūgštis (pvz., sieros rūgštį ir azoto rūgštį). Tai sumažina vandens plėvelės ant metalinių paviršių pH ir padidina korozijos greitį. Rūgštus lietus yra kraštutinis pavyzdys, pagreitinantis tiltų, tvorų, transporto priemonių ir metalinių pastatų irimą.
Pramoninės dulkių dalelės taip pat gali kaupti drėgmę ant metalinių paviršių, sukurdamos nuolat drėgną ir jonų turtingą „mikroaplinką“, kuri sustiprina korozijos atakas po nuosėdomis.
7. Srauto greitis ir erozija-korozija
Vamzdynų sistemose greitai tekantys skysčiai gali sukelti eroziją-koroziją – mechaninės erozijos ir korozijos derinį. Turbulentinis srautas, srauto krypties pokyčiai ir sritys šalia vožtuvų, alkūnių ir siurblių dažnai yra pažeidžiamos vietos. Greitas srautas gali pašalinti apsaugines plėveles ar korozijos produktus, kurie kitaip slopintų ataką, todėl metalas lieka nuolat atviras.
8. Mikroorganizmai: biologinio aktyvumo įtaka korozijai
Aplinka taip pat apima biologinius veiksnius. Mikrobiologiškai paveikta korozija (MSK) atsiranda, kai mikroorganizmai, tokie kaip sulfatus redukuojančios bakterijos (SRB), veikia vietinę metalo paviršiaus cheminę sudėtį, pavyzdžiui, gamindami H₂S, keisdami pH arba sukurdami elektrocheminę ląstelę po bioplėvele. MSK dažnai randama požeminiuose vamzdžiuose, rezervuaruose, aušinimo sistemose ir jūriniuose įrenginiuose ir gali sukelti greitą, sunkiai aptinkamą koroziją.
Kontrolės strategija, pagrįsta aplinkos veiksniais
Kadangi aplinka yra tokia svarbi, korozijos prevencijos strategijos paprastai yra skirtos aplinkinių sąlygų modifikavimui arba metalo paviršiaus apsaugai, įskaitant:
1. Dengimas ir dažymas, siekiant izoliuoti metalą nuo vandens, deguonies ir agresyvių jonų.
2. Katodinė apsauga (aukojamas anodas arba priverstinė srovė), skirta slopinti oksidacijos reakcijas baziniame metale.
3. Tinkamų medžiagų parinkimas: pavyzdžiui, tam tikras nerūdijantis plienas, skirtas chloridų aplinkai, turi būti parenkamas atsargiai.
4. Kontroliuokite drėgmę ir drenažą, kad nesusikauptų vanduo ir nesikauptų ilgai.
5. Korozijos inhibitorius uždarose sistemose, tokiose kaip aušinimo vanduo ar katilai.
6. Geras dizainas, siekiant išvengti siaurų tarpų, nuosėdų kaupimosi ir sustingusių vietų.
7. Mikrobiologinė kontrolė valant, naudojant biocidus ir stebint.
Uždarymas
Metalo korozija nėra vienkartinis įvykis, o sudėtingos medžiagos ir jos aplinkos sąveikos rezultatas. Drėgmė, deguonis, temperatūra, pH, chloridų druskos, oro teršalai, srauto greitis ir net mikrobų aktyvumas gali paspartinti arba pakeisti korozijos atakos formą. Aplinkos įtakos supratimas leidžia numatyti pažeidžiamas vietas, pasirinkti tinkamas medžiagas ir įgyvendinti veiksmingą apsaugą. Taikant tinkamą požiūrį, galima gerokai sumažinti korozijos nuostolius – tiek sąnaudas, tiek saugos riziką, o metalinių konstrukcijų ir įrangos tarnavimo laiką – pailginti.
