Mikrobiologická koroze MIC – příčiny, mechanismus a prevence

Stáhněte si popis ve formátu PDF

Mikrobiologická koroze MIC – z angličtiny Mikrobiologicky ovlivněná koroze – je koroze, jejíž vznik, průběh nebo rychlost souvisí s aktivitou mikroorganismů přítomných na povrchu materiálu nebo v okolním prostředí.
Mikroorganismy nevytvářejí jediný jedinečný korozní mechanismus. Mohou však měnit lokální elektrochemické podmínky, vytvářet biofilmy, produkovat agresivní metabolické produkty a podporovat důlkovou, štěrbinovou a podpovrchovou korozi.
MIC může ovlivnit obojí uhlíková ocel a nerezová ocel, stejně jako jiné kovy a slitiny.
K tomuto jevu dochází mimo jiné ve vodních, chladicích, průmyslových, energetických, petrochemických, námořních a kanalizačních systémech, stejně jako v nádržích a potrubích.

Co je MIC?

MIC neznamená, že mikroorganismy přímo „sežerou“ kov.
Jejich aktivita může změnit podmínky na povrchu materiálu a urychlit elektrochemické reakce.
Mikroorganismy mohou mimo jiné:

• vytvořit biofilm,
• spotřebovávají kyslík,
• změna lokálního pH,
• produkují sulfidy a kyseliny,
• změnit elektrochemický potenciál povrchu,
• vytvářejí usazeniny, které zadržují agresivní sloučeniny,
• způsobit rozdíly v koncentraci kyslíku,
• podporují zahájení důlkové a štěrbinové koroze.

Termín „mikrobiologicky indukovaná koroze“ je proto poněkud zjednodušující. Přesnější význam termínu „MIC“ je „koroze ovlivněná aktivitou mikroorganismů “.

Biofilm – základní prvek MIC

Jedním z nejdůležitějších prvků rozvoje MIC je biofilmu.
Biofilm je vrstva mikroorganismů a látek, které produkují, která ulpívá na povrchu materiálu.
Může obsahovat:

• bakterie,
• archeje,
• houby,
• mikrořasy,
• metabolické produkty,
• polymerní látky vylučované mikroorganismy,
• minerální částice a sedimenty.

Biofilm není homogenní vrstva.
Uvnitř mohou být značné rozdíly:

• koncentrace kyslíku,
• pH
• elektrochemický potenciál,
• koncentrace iontů,
• druh aktivních mikroorganismů.

Tím vznikají lokální mikroprostředí, jejichž složení se může výrazně lišit od složení celé kapaliny v zařízení.

Jak vzniká mikrobiologická koroze?

Proces MIC lze zjednodušit takto:

1. mikroorganismy se usazují na povrchu materiálu,
2. začíná tvorba biofilmu,
3. biofilm zadržuje sedimenty a mění místní chemické podmínky,
4. v různých oblastech povrchu vznikají rozdíly v koncentraci kyslíku, pH a potenciálu,
5. mohou se tvořit lokální elektrochemické články,
6. mikroorganismy produkují metabolické produkty,
7. dochází k lokálnímu poškození ochranné nebo pasivní vrstvy,
8. začíná lokální koroze,
9. Pod biofilmem nebo sedimentem se mohou tvořit hluboké jámy.

Jaké mikroorganismy se mohou podílet na MIC?

MIC se může účastnit mnoho skupin mikroorganismů.
Nejčastěji zmiňované jsou:

• sulfát redukující bakterie – SRB,
• bakterie oxidující síru,
• bakterie produkující kyseliny,
• bakterie oxidující železo,
• bakterie oxidující mangan,
• methanogenní mikroorganismy,
• houby,
• mikrořasy.

V reálných instalacích je biofilm často tvořen mnoha různými druhy současně.
Proto může být obtížné připsat selhání jednomu konkrétnímu mikroorganismu.

Sulfát redukující bakterie SRB

Jednou ze skupin nejčastěji spojovaných s MIC je Bakterie redukující sírany – SRB.
Vyvíjejí se primárně v anaerobních podmínkách nebo v lokálních zónách biofilmu, kde je obsah kyslíku velmi nízký.
Mohou redukovat sírany na sulfidy.
V důsledku jejich činnosti může dojít k následujícím jevům:

• sirovodík H₂S,
• sulfidové ionty,
• sulfidy železa FeS.

Tyto produkty mohou ovlivnit elektrochemické reakce probíhající na kovovém povrchu a zvýšit riziko lokální koroze.
Moderní vysvětlení MIC indukované SRB je složitější než starší teorie katodické depolarizace. Roli mohou hrát mimo jiné biogenní sulfidy, biofilm a přímá výměna elektronů mezi mikroorganismy a kovem.

Bakterie oxidující železo

Bakterie oxidující železo mohou způsobovat charakteristické usazeniny obsahující oxidy a hydroxidy železa.
Tyto usazeniny mohou nad povrchem kovu vytvářet lokální prostředí, které podporuje korozi pod usazeninami.
Pod sedimentem může být nižší koncentrace kyslíku než na okolním povrchu.
V důsledku toho může být vytvořena diferenciální provzdušňovací buňka:

• oblast pod nánosem se stává anodičtější,
• Okolní okysličený povrch může fungovat jako katoda.

To může vést k intenzivní lokální korozi pod nánosem.

Bakterie oxidující mangan

Mikroorganismy oxidující mangan mohou na povrchu vytvářet usazeniny oxidu manganu.
Oxidy manganu jsou silná oxidační činidla a mohou ovlivnit elektrochemický potenciál nerezové oceli.
Tento jev může vést k tzv. vznešenost, tj. posun korozního potenciálu oceli směrem k kladnějším hodnotám.
Pokud se povrchový potenciál blíží iniciačnímu potenciálu bodové koroze, může se zvýšit riziko lokálního poškození pasivní vrstvy.

Bakterie produkující kyseliny

Některé mikroorganismy mohou produkovat organické nebo anorganické kyseliny.
Lokální snížení pH pod biofilmem může zvýšit agresivitu prostředí a destabilizovat ochranné vrstvy.
Důležité mohou být mimo jiné:

• organické kyseliny,
• kyselina sírová vzniklá přeměnou sloučenin síry,
• další kyselé metabolické produkty.

I když pH celé kapaliny zůstane téměř neutrální, může přímo pod biofilmem existovat zcela odlišné prostředí.

Rozdíl MIC a koncentrace kyslíku

Biofilm brání transportu kyslíku k povrchu kovu.
V důsledku toho se pod biofilmem mohou tvořit oblasti chudé na kyslík.
Povrch vně biofilmu však zůstává lépe okysličený.
Poté se vytvoří koncentrační buňka.
Jednoduše řečeno:

• oblast chudá na kyslík se může stát anodou,
• oblast bohatá na kyslík se může stát katodou.

Malý anodický povrch obklopený velkým katodickým povrchem může vést k intenzivní lokální korozi.

MIC nerezová ocel

Nerezové oceli mají ochrannou pasivní vrstvu, která jim poskytuje vysokou odolnost vůči mnoha prostředím.
Biofilm však může lokálně změnit povrchové podmínky do té míry, že pasivní vrstva ztratí stabilitu.
Obzvláště nebezpečné jsou:

• stagnace vody,
• osady,
• biofilm,
• chloridy,
• lokální snížení pH,
• rozdíly v koncentraci kyslíku,
• ložiska železa a manganu.

MIC (minimální oxidace kovů) u nerezových ocelí se velmi často projevuje jako bodová koroze nebo koroze pod návarem.

304 a 304L a MIC

Oceli 1.4301 / 304 a 1.4307 / 304L mohou být náchylné k MIC ve vodních instalacích, zejména pokud:

• stagnace,
• osady,
• biofilm,
• chloridy,
• zvýšená teplota,
• nesprávně provedené nebo očištěné svary.

Absence molybdenu také znamená menší odolnost vůči bodové korozi než u oceli 316L.

316 a 316L a MIC

stale 1.4401 / 316 i 1.4404/316L Díky přídavku molybdenu mají větší odolnost proti bodové korozi než oceli 304 a 304L.
To však neznamená rezistenci vůči MIC.
Jsou známy případy mikrobiologické koroze oceli 316 a 316L ve vodovodních instalacích.
Pokud biofilm vytváří vysoce agresivní lokální prostředí, může dojít k poškození i pasivní vrstvy 316L.

904L, 254 SMO a slitina 926 a MIC

V agresivnějším prostředí se používají oceli s mnohem větší odolností vůči lokální korozi, jako například:

• 1.4539 / 904L,
• 1.4547 / 254 SMO,
• 1.4529 / Alloy 926 / UNS N08926.

Vyšší obsah chromu, molybdenu a dusíku zvyšuje odolnost těchto materiálů vůči bodové a štěrbinové korozi.
To může významně zvýšit odolnost vůči lokálnímu poškození souvisejícímu s MIC.
Nemělo by se však předpokládat, že jakákoli třída oceli je zcela odolná vůči MIC bez ohledu na podmínky.

Duplex 2205 a superduplex 2507 a MIC

Neustále duplexní:

• 1.4462 / duplex 2205,
• 1.4410 / superduplex 2507

Vykazují mnohem větší odolnost vůči lokální korozi než klasické austenitické oceli 304L a 316L.
Zejména Superduplex 2507 má vysokou odolnost vůči bodové a štěrbinové korozi v chloridovém prostředí.
To může být významná výhoda v instalacích vystavených MIC.
Zároveň ani použití duplexní nebo superduplexní oceli by nemělo nahradit řádnou kontrolu biofilmu, stagnace a kvality vody.

Porovnání vybraných nerezových ocelí

MIC a bodová koroze

MIC velmi často vede k poškození připomínajícímu klasickou bodovou korozi.
To však neznamená, že každá důlek nalezený pod biofilmem byl způsoben mikroorganismy.

MIC a koroze v podsedimentech

Produkty biofilmu a mikrobiální aktivity mohou vytvářet nebo zadržovat usazeniny.
Pod sedimentem:

• zhoršuje se přístup kyslíku,
• změny pH,
• mohou se hromadit chloridy,
• výměna tekutin je obtížná,
• vytváří se prostředí podobné štěrbině.

Proto je MIC často velmi silně spojena s podkorozí a štěrbinovou korozí.

Proč stagnace přeje MIC?

Voda, která zůstává dlouho v klidu, vytváří dobré podmínky pro kolonizaci povrchu.
Stagnace dává přednost:

• ukládání částic,
• vývoj biofilmu,
• tvorba lokálních zón chudých na kyslík,
• udržování metabolických produktů na povrchu,
• vznik lokálních chemických rozdílů.

Proto jsou tzv. mrtvé odbočky potrubí obzvláště nepříznivým prvkem konstrukce.

Odumřelé větve a nevyužité části instalace

Typickými místy pro vznik MIC jsou úsečné úseky, tj. části instalace s velmi malým nebo žádným průtokem.
Mohou zahrnovat:

• stagnace vody,
• akumulace sedimentů,
• vývoj biofilmu,
• změny v obsahu kyslíku,
• lokální zvýšení koncentrace agresivních sloučenin.

Při navrhování instalací je vhodné omezit počet takových míst.

MIC ve vodních instalacích

Mikrobiologická koroze se může vyskytovat jak ve sladké, tak i mořské vodě.
Problém může souviset s:

• instalace chladicí vody,
• protipožární zařízení,
• technologická voda,
• instalace pitné vody,
• chladicí okruh,
• hydrotestovací zařízení,
• potrubí pro mořskou vodu.

Obzvláště nebezpečné jsou instalace, které zůstávají dlouhodobě naplněné vodou bez průtoku.

MIC po hydrostatických zkouškách

Hydrostatické zkoušky mohou vytvořit podmínky příznivé pro MIC, pokud po zkoušce v systému zůstane voda.
Riziko se zvyšuje, když:

• voda nemá odpovídající kvalitu,
• obsahuje mikroorganismy a živiny,
• instalace nebude zcela vyprázdněna,
• jsou tam mrtvé větve,
• voda zůstává po dlouhou dobu na teplotě příznivé pro vývoj mikroorganismů.

Po hydrostatické zkoušce musí být zařízení řádně odvodněno, vyčištěno a – pokud to technologický postup vyžaduje – vysušeno nebo chráněno před růstem mikrobů.

MIC v protipožárních instalacích

Systémy protipožární ochrany mohou být obzvláště náchylné k MIC v důsledku dlouhodobé stagnace vody.
Většinou jimi protéká jen malý nebo žádný průtok.
To může být příznivé pro:

• tvorba biofilmu,
• usazování korozních produktů,
• subsedimentární koroze,
• lokální perforace kanálků.

MIC v ropných a plynových instalacích

MIC je také významným problémem v ropném a plynárenském průmyslu.
Může se vyskytnout v:

• potrubí,
• tanky,
• separátory,
• zařízení na vstřikování vody,
• výrobní systémy,
• instalace na moři.

Prostředí obsahující vodu má zvláštní význam, protože mikroorganismy potřebují vodní fázi pro metabolickou aktivitu.

MIC ve svarech nerezové oceli

Oblast kolem svarů může být obzvláště zranitelná, pokud po svařování zůstanou následující části:

• zašlé barvy,
• oxidy svařování,
• drsný povrch,
• znečištění,
• stavební mezery.

Taková místa mohou usnadnit ukládání biofilmu a lokální zhoršení pasivity.
Proto je u zodpovědných instalací nerezové oceli správné:

• svařování,
• trávení,
• čištění,
• pasivace povrchu,
• odstranění kontaminace železem.

Jak vypadá MIC?

MIC nemá jediný charakteristický vzhled, který by umožňoval spolehlivou diagnózu založenou pouze na vizuální kontrole.
Můžete si však všimnout:

• biofilm,
• slizké usazeniny,
• hnědé nebo černé usazeniny,
• lokální uzlíky a tuberkulóza,
• koroze pod sedimenty,
• hluboké důlky,
• lokální perforace.

Samotný tvar jámy však není dostatečným důkazem MIC.

Jak ověřit MIC?

Správná diagnóza MIC by měla kombinovat několik nezávislých typů informací.
Analyzuje se následující:

• přítomnost a druh mikroorganismů,
• biofilm,
• korozních produktů,
• chemické složení sedimentů,
• morfologie důlků,
• stavební materiál,
• kvalita povrchu a svaru,
• parametry vody nebo jiného média,
• teplota,
• podmínky proudění a období stagnace.

Jen proto, že jsou ve vodě detekovány bakterie, neznamená to, že škodu způsobily.
Podobně charakteristické korozivní koroze samo o sobě není dostatečným potvrzením minimální inhibiční oxidace (MIC).

Mikrobiologické výzkumné metody

K posouzení aktivity mikroorganismů lze použít:

• mikrobiologické kultury,
• ATP testy,
• molekulární metody, včetně PCR a qPCR,
• mikroskopie,
• analýza biofilmu,
• zkoumání vzorků usazenin a korozních produktů.

Každá metoda poskytuje jiné informace, takže v závažných případech je výhodné kombinovat několik technik.

Proč by samotný vzorek vody nestačil?

Mikroorganismy zodpovědné za MIC se velmi často vyvíjejí primárně v biofilmu umístěném přímo na povrchu materiálu.
Jejich množství ve vodě protékající systémem může být relativně malé.
Výsledek analýzy vzorku vody proto ne vždy odpovídá situaci pod sedimentem nebo biofilmem.
Během diagnostiky se také vyplatí provést:

• biofilm,
• osady,
• korozních produktů,
• vzorky přímo z poškozeného povrchu.

Jak zabránit MIC?

Ochrana proti MIC by měla primárně bránit tvorbě a rozvoji biofilmu.
Mezi klíčové aktivity patří:

• snížení stagnace,
• odstranění odumřelých větví,
• udržování vhodné rychlosti proudění,
• pravidelné odstraňování usazenin,
• mechanické čištění instalací,
• kontrola kvality vody,
• kontrola obsahu živin pro mikroorganismy,
• použití vhodně vybraných biocidů,
• řádné vyprázdnění instalace po provedení vodních zkoušek,
• výběr správného materiálu,
• správné provedení svarů,
• udržování čistých a správně pasivovaných povrchů z nerezové oceli.

Biocidy a minimální inhibiční hodnota (MIC)

Biocidy lze použít k omezení růstu mikroorganismů v zařízení.
Jejich účinnost však závisí na:

• druh mikroorganismů,
• typ biofilmu,
• koncentrace biocidů,
• doba kontaktu,
• teplota,
• pH
• přítomnost sedimentů,
• střední průtok.

Zralý biofilm může chemikálii ztížit dosažení mikroorganismů nejblíže povrchu.
Proto pouhé dávkování biocidu bez odstraňování usazenin a sledování provozních podmínek zařízení nemusí stačit.

Mechanické čištění

Odstranění biofilmu a usazenin je jedním z nejdůležitějších způsobů, jak snížit MIC.
V závislosti na instalaci se používají následující:

• oplachování,
• mechanické čištění,
• čištění potrubí ježkami,
• hydrodynamické čištění,
• vhodně zvolené chemické čištění.

Odstranění usazenin také usnadňuje působení biocidů.

Výběr materiálu a MIC

Použití materiálu s větší odolností vůči lokální korozi může výrazně snížit riziko perforace.
Nemělo by to však být jediné ochranné opatření.
I vysoce legované oceli mohou pracovat za velmi nepříznivých podmínek, pokud instalace:

• je neustále znečištěný,
• obsahuje velké množství biofilmu,
• má mnoho odumřelých větví,
• pracuje periodicky a dlouhodobě zůstává nehybný,
• není řádně vyčištěn.

Nejlepších výsledků se dosahuje kombinací správného výběru materiálů s kontrolou provozních podmínek.

MIC a PREN

indikátor PREN určuje primárně relativní odolnost nerezových ocelí vůči bodové korozi.
Vyšší PREN obvykle znamená větší odolnost vůči lokálnímu průrazu pasivní vrstvy v chloridovém prostředí.
Může to být proto důležité i pro MIC, protože mikrobiologická koroze často vede k lokálnímu poškození pasivity.
PREN však není indikátorem, který by přímo určoval rezistenci vůči MIC.
Nezahrnuje:

• druh mikroorganismů,
• biofilm,
• stagnace,
• složení vody,
• sedimenty,
• provozní podmínky.

Proto by se nemělo vyvodit, že daný materiál je odolný vůči MIC, a to pouze na základě hodnoty PREN.

Nejčastější chyby, které přispívají k MIC

Mezi běžné problémy patří:

• ponechání stojící vody po hydrostatické zkoušce,
• mrtvé větve potrubí,
• dlouhodobá stagnace,
• nemožnost úplného vyprázdnění instalace,
• akumulace sedimentů,
• nedostatek pravidelného čištění,
• nedostatečná mikrobiologická kontrola vody,
• nečištěné svary z nerezové oceli,
• zanechávání okujů a zabarvení svařování,
• výběr materiálu s příliš nízkou odolností vůči lokální korozi.

Mikrobiologická koroze MIC – nejdůležitější závěry

Mikrobiální koroze (MIC) je proces, při kterém aktivita mikroorganismů ovlivňuje iniciaci, mechanismus nebo rychlost koroze.
Biofilm nejčastěji hraje klíčovou roli, protože způsobuje vznik lokálního mikroprostředí, které se výrazně liší od podmínek panujících v celém zařízení.
Mikroorganismy mohou měnit pH, koncentraci kyslíku a elektrochemický potenciál a produkovat sulfidy, kyseliny a další sloučeniny, které ovlivňují korozi.
MIC často vede k důlková, štěrbinová nebo podkorozní koroze a může se vztahovat i na nerezové oceli 304L a 316L.
Materiály s větší odolností vůči lokální korozi, jako např. 904L, duplex 2205, superduplex 2507, 254 SMO a slitina 926, mohou významně snížit riziko lokálního poškození, ale neodstraňují potřebu kontroly biofilmu a provozních podmínek zařízení.
Zvláštní význam mají stagnace, odtokové kanály, sedimenty, kvalita vody, stav svarů a možnost důkladného čištění a vyprázdnění instalace.
Diagnóza MIC by neměla být založena pouze na výskytu důlkové koroze nebo detekci mikroorganismů ve vodě. Spolehlivá diagnóza vyžaduje kombinaci mikrobiologických, chemických a materiálových testů, jakož i analýzu provozních podmínek.

Koroze může probíhat různými mechanismy v závislosti na materiálu, prostředí a provozních podmínkách. Seznamte se s dalšími typy koroze:

Druhy koroze oceli a kovů

Rovnoměrná koroze oceli a kovů
Bodová koroze nerezových ocelí
Štěrbinová koroze nerezových ocelí
Mezikrystalová koroze nerezové oceli
Korozní praskání v napěťovém sušení (SCC)
Galvanická koroze
Erozivní koroze
Kavitační koroze
Únava z koroze
Koroze třením
Mikrobiologická koroze MIC
Vysokoteplotní koroze

Rozdělení koroze podle prostředí

Mořská koroze – koroze oceli a kovů v mořské vodě
Atmosférická koroze
Koroze země
Koroze ve sladké a průmyslové vodě
Koroze v chloridovém prostředí
Koroze v kyselém prostředí
Koroze v alkalickém prostředí
Koroze v plynech a výfukových plynech
Koroze v kanalizaci a stokových systémech
Koroze v chemickém a petrochemickém prostředí

Související témata

CPT – kritická teplota bodové koroze nerezových ocelí a niklových slitin
PREN – index odolnosti proti bodové korozi pro nerezovou ocel
CCT – Kritická teplota štěrbinové koroze nerezových ocelí a niklových slitin