Pinnase korrosioon – metallide ja terase korrosioon pinnases

Pinnaskorrosioon on metallide ja sulamite hävimisprotsess maapinnaga otseses kokkupuutes. See mõjutab muuhulgas maa-aluseid torustikke, mahuteid, vundamendivaiu, teraskonstruktsioone, vee- ja gaasipaigaldisi, maandussüsteeme ja muid maa-aluseid taristuelemente. Pinnas on eriti keeruline keskkond, kuna selle keemilised, füüsikalised ja bioloogilised omadused võivad muutuda isegi lühikeste vahemaade tagant.
Pinnase söövitavust määravad sellised tegurid nagu niiskus, takistus, lahustunud soolade sisaldus, pH, hapniku kättesaadavus, läbilaskvus, mineraalne koostis, mikroorganismide olemasolu ja hulkuvad voolud. Samuti on oluline pinnase heterogeensus. Sama element võib läbida erinevate omadustega kihte, mis soodustab lokaliseeritud korrosioonirakkude teket.

Miks metallid maapinnas korrodeeruvad?

Niiske pinnas võib toimida elektrolüüdina, võimaldades elektrokeemilisi reaktsioone. Maetud metalli pinnale võivad tekkida anoodsed ja katoodsed piirkonnad. Anoodsetes piirkondades toimub metalli oksüdeerumine ja järkjärguline metalli kadu, samas kui katoodsed reaktsioonid toimuvad mujal pinnal.
Anoodsete ja katoodsete alade jaotus sõltub kohalikest tingimustest. Niiskuse, hapnikusisalduse, soolsuse, pH ja pinnase koostise erinevused võivad põhjustada sama struktuuri üksikute osade elektrokeemilist erinevat käitumist. Selle tulemusena võib pinnase korrosioon olla kas suhteliselt ühtlane või väga lokaliseeritud.

Pinnase korrosiooni mõjutavad olulisemad tegurid

Pinnase eritakistus ja korrosioonirisk

Pinnase eritakistus on üks enimkasutatavaid parameetreid maa-aluste keskkonnamõjude hindamisel. See määrab pinnase võimet seista vastu elektrivoolule. Muldadel, mis sisaldavad palju niiskust ja lahustunud sooli, on tavaliselt madalam eritakistus kui kuivadel, liivastel muldadel.
Madal takistus võib soodustada korrosioonivoolude teket ja on seega märk suurenenud potentsiaalsest riskist. Pinnase söövitavust ei tohiks aga hinnata ainult ühe takistusväärtuse põhjal. Arvesse tuleb võtta ka niiskust, pH-d, ioonkoostist, hapnikuga varustatust, mikroorganisme ja hulkuvate voolude olemasolu.

Maapinna niiskus

Pinnasepoorides sisalduv vesi hõlbustab ioonide transporti ja elektrolüüdi moodustumist metalli pinnale. Seega on niiskusesisaldus elektrokeemilise korrosiooni kulgemisel ülioluline.
Niiskuse ja korrosioonikiiruse vaheline seos ei ole aga lineaarne. Väga kuivas pinnases on ioonjuhtivus madal. Niiskuse suurenedes juhtivus tavaliselt suureneb. Väga kõrge veeküllastuse taseme korral võib aga hapniku juurdepääs pinnale väheneda. Seega sõltub korrosiooni lõplik kulg elektrolüüdi juhtivuse ja reagentide transpordi vahelisest tasakaalust.

Diferentsiaalõhustusrakud

Üks mullas esinevatest iseloomulikest nähtustest on rakkude moodustumine, mis tuleneb hapniku erinevast juurdepääsust metalli pinna teatud osadele. Hästi õhustatud ja läbilaskvas pinnases asuval lõigul võivad olla erinevad elektrokeemilised tingimused kui kompaktses, märjas või settetega kaetud pinnases asuval lõigul.
Sellised erinevused võivad viia anoodi ja katoodi piirkondade suhteliselt suure eraldumiseni. Selle tulemusel võib intensiivne materjalikadu koonduda konstruktsiooni kindlasse ossa, isegi kui kogu komponent on valmistatud samast materjalist.

Pinnase pH mõju

Pinnase pH mõjutab elektrokeemilisi reaktsioone ja korrosioonisaaduste stabiilsust. Süsinikteraste puhul võib väga happeline keskkond suurendada korrosioonikiirust. Roostevabade teraste käitumine sõltub ka nende passiivse kihi stabiilsusest ja agressiivsete ioonide, peamiselt kloriidide, olemasolust.
Siiski ei piisa mulla agressiivsuse määramiseks ainult pH-st. Kaks sarnase pH-ga mulda võivad erineda takistuse, kloriidi- ja sulfaadisisalduse, niiskusesisalduse ja hapnikuga varustatuse poolest ning seetõttu põhjustada täiesti erineva kiiruse ja tüübiga korrosiooni.

Pinnases lahustunud kloriidid ja soolad

Lahustunud soolad suurendavad pinnase poorivee juhtivust. Kloriidid on eriti olulised, kuna need võivad destabiliseerida roostevaba terase passiivset kihti ning suurendada punkt- ja pragukorrosiooni ohtu.
Kloriidid võivad pärineda looduslikest pinnasekomponentidest, põhjaveest, rannikukeskkonnast, tööstustegevusest ja jäätõrjesoolade kasutamisest. Lokaliseeritud soolade kogunemine võib luua palju agressiivsema keskkonna, kui piirkonna üldised omadused eeldaksid.

Mikrobioloogiline korrosioon MIC maapinnas

Maapind on bioloogiliselt aktiivne keskkond. Mikroorganismid võivad moodustada biokile ja muuta metallpinnal lokaalseid keemilisi ja elektrokeemilisi tingimusi. Seda protsessi nimetatakse mikrobioloogiliselt mõjutatud korrosiooniks (MIC).
Hapnikuvaeses keskkonnas võivad rolli mängida väävliühendite metabolismis osalevad mikroorganismid. Siiski ei tohiks minimaalset kontsentratsiooni (MIC) taandada ainult ühe bakterirühma tegevusele. Reaalses keskkonnas võivad korrosiooniprotsessides osaleda keerulised mikroorganismide kooslused ning nende mõju sõltub keemilistest ja bioloogilistest tingimustest.
Mikrobioloogiline korrosioon võib olla väga lokaliseeritud ja põhjustada sügavaid materjalikaotusi, mistõttu on see märkimisväärne oht torujuhtmetele, mahutitele ja muudele maa-alustele konstruktsioonidele.

Maa-aluste konstruktsioonide hulkuvad voolud ja elektrolüütiline korrosioon

Hulkuvoolud on elektrivoolud, mis voolavad väljaspool ettenähtud elektriahelat. Need võivad esineda muu hulgas alalisvoolu veojõusüsteemide, tööstusrajatiste ja muude ehitiste katoodkaitsesüsteemide lähedal.
Kui alalisvool voolab metallkonstruktsiooni sisse ja seejärel voolab maasse välja teises punktis, võib voolu voolamise piirkond muutuda intensiivse anoodse metalli lahustumise kohaks. Sellest tulenev kahjustus võib olla väga lokaalne.
Hukkumisvoolu ohtude hindamine nõuab elektrilisi ja elektrokeemilisi mõõtmisi. Eriti oluline on jälgida konstruktsioonipotentsiaale ja samas mõjutsoonis asuvate katoodkaitsesüsteemide koostoimet.

Maa-aluste torujuhtmete korrosioon

Torujuhtmed on oma pika pikkuse ja väga erinevate pinnasetingimuste tõttu eriti vastuvõtlikud pinnase korrosioonile. Ühel lõigul võib olla kuiv, liivane pinnas, teisel aga märg savimuld, soolased alad või piiratud hapnikuvarustusega alad.
Terastorustike peamine kaitse on tavaliselt õigesti valitud isoleeriv kate, mis piirab kokkupuudet metallpinna ja elektrolüüdi vahel. Paljude kriitiliste maa-aluste konstruktsioonide puhul toimivad katted koos katoodkaitsega.
Kattekahjustused on eriti olulised, kuna need paljastavad metallpinna väikesed osad. Kaitsesüsteemi projekteerimisel ja jälgimisel tuleks arvestada katte seisukorda, pinnase omadusi ja muude paigaldiste võimalikku mõju.

Maapinnal asuvate konstruktsioonide katoodkaitse

Katoodkaitse hõlmab kaitstava struktuuri potentsiaali kontrollimist, et piirata selle anoodse lahustumise teket. Kasutatakse kahte peamist lahendust: kaitse galvaaniliste anoodide abil ja süsteemid välise vooluallikaga, mida nimetatakse ICCP-ks (Impressed Current Cathodic Protection).

Katoodkaitse ei hõlma ühtse ja universaalse potentsiaali määramist kõigile konstruktsioonidele. Kaitsekriteeriumid sõltuvad sellistest teguritest nagu materjal, konstruktsiooni tüüp, keskkond ja kohaldatav standard. Valesti projekteeritud süsteem võib olla ebaefektiivne või avaldada soovimatut mõju külgnevatele paigaldistele.

Maapinnas olevad kaitsekatted

Kaitsekiht loob metalli ja niiske pinnase vahele barjääri. Maa-aluste konstruktsioonide puhul kasutatakse epoksü-, polüetüleen-, polüpropüleen- ja muid süsteeme, olenevalt konstruktsiooni tüübist ja töötingimustest.
Siiski ei tohiks ühtegi katet kogu selle kasutusea jooksul pidada täiesti defektivabaks barjääriks. Kahjustused võivad tekkida transpordi, paigaldamise, tagasitäite või konstruktsiooni edasise käitamise ajal. Sel põhjusel on paljudes paigaldistes kate ja katoodkaitse ühe korrosioonikaitsesüsteemi komponendid.

Roostevaba teras maas

Roostevabad terased võivad paljudes pinnasetingimustes olla väga vastupidavad, kuid nende toimivus sõltub võimest säilitada passiivset kihti. Eriti ebasoodsad võivad olla kõrge kloriidisisaldusega pinnas, piiratud hapnikuga ligipääsuga alad, lõhed, setted ja mikrolaineahjude teket soodustav keskkond.
Roostevabast terasest elemendi maasse matmine ei taga automaatselt täielikku korrosioonikindlust. Lokaliseeritud korrosioon võib esineda agressiivsetes pinnasetingimustes ning klassi valikul tuleks arvestada pinnase ja põhjavee koostist, temperatuuri, lõhede tekkimise võimalust ja bioloogilisi tingimusi.

Materjali valik maapealseks tööks

Tabelis on esitatud ainult materjalide üldised omadused. Universaalset tüüpi, mis sobiks kõikidele pinnastele, pole. Õige valik eeldab keskkonnaparameetrite ja ehitustingimuste tundmist.

Kuidas mulla söövitavust testitakse?

Pinnase keskkonnamõju hindamine võib hõlmata takistuse, pH ja niiskuse mõõtmist, samuti kloriidi, sulfaadi ja muude lahustuvate komponentide analüüsi. Sõltuvalt struktuuri tüübist tehakse ka elektrokeemilise potentsiaali mõõtmisi, hulkvoolu testimist ja mikrobioloogiliseks aktiivsuseks soodsate tingimuste hindamist.
Pikkade lineaarsete konstruktsioonide puhul ei pruugi üks mullaproov olla representatiivne. Tingimusi tuleks hinnata mitmes punktis, eriti seal, kus mullatüüp, niiskus, soolsus, elektripaigaldiste lähedus ja muud võimalikud korrosiooniallikad muutuvad.

Kuidas vähendada pinnase korrosiooni?

• enne materjali ja kaitsesüsteemi valimist tunnistage pinnase omadusi,
• kasutage õigesti valitud kaitsekatteid,
• nõudlikes paigaldistes kasutage korralikult projekteeritud katoodkaitset,
• enne konstruktsiooni katmist kontrollige katte kvaliteeti ja järjepidevust,
• jälgida konstruktsiooni potentsiaale ja katoodkaitsesüsteemi toimimist,
• arvestama hulkuvate voolude ja külgnevate paigaldiste olemasoluga,
• analüüsida MIC riski mikrobioloogiliseks aktiivsuseks soodsas keskkonnas,
• vältida erinevate metallide ebasoodsaid kombinatsioone,
• arvestama pinnase omaduste muutustega kogu konstruktsiooni pikkuses.

Pinnase korrosioon ja atmosfäärikorrosioon

Pinnase ja atmosfääri korrosioon on elektrokeemilised protsessid, kuid hapniku, niiskuse ja ioonide transpordi tingimused on igas keskkonnas erinevad. Atmosfääris läbib pind tavaliselt niisutus- ja kuivamistsüklid, samas kui maapinnas jääb metall kontakti pooriveega, mille koostis ja hapniku kättesaadavus võivad lokaalselt oluliselt erineda.
Eriti huvipakkuvad on alad, kus konstruktsioonid ületavad maapinna ja atmosfääri piiri. Niiskuse, hapnikuga varustatuse ja saastumise muutumine võib viia lokaalsete korrosioonirakkude moodustumiseni, seega vajavad need üleminekutsoonid asjakohast kaitset.

Pinnase korrosioon on keeruline protsess, mis sõltub niiskuse, eritakistuse, pH, soolade, hapniku, mikroorganismide, hulkuvate hoovuste ja pinnase heterogeensuse samaaegsest mõjust. Seetõttu on maa-aluse keskkonna agressiivsust võimatu määrata ühe parameetri põhjal.
Süsinikterasest konstruktsioonide puhul on kaitse aluseks õigesti valitud katted ja paljudes rakendustes katoodkaitse. Roostevabad terased pakuvad paljudes tingimustes suuremat vastupidavust, kuid kloriidide, pragude, ladestuste ja ebasoodsate bioloogiliste tingimuste juuresolekul võivad need sattuda ka lokaalsele korrosioonile.
Maa-aluste ehitiste nõuetekohaseks kaitsmiseks on vaja analüüsida kogu süsteemi: materjal – pinnas – põhjavesi – kate – katoodkaitse – hulkuvad voolud – töötingimused.

Terase ja metallide korrosiooni tüübid

Terase ja metallide ühtlane korrosioon
Roostevabade teraste punktkorrosioon
Roostevabade teraste pragukorrosioon
Roostevaba terase teradevaheline korrosioon
Pingekorrosiooni pragunemine SCC
Galvaaniline korrosioon
Erosiivne korrosioon
Kavitatsioonikorrosioon
Korrosiooniväsimus
Särituskorrosioon
Mikrobioloogiline korrosioon MIC
Kõrge temperatuuriga korrosioon

Korrosiooni jaotus vastavalt keskkonnale

Merekorrosioon – terase ja metallide korrosioon merevees
Atmosfääri korrosioon
Maapinna korrosioon
Korrosioon mage- ja tööstusvees
Korrosioon kloriidikeskkonnas
Korrosioon happelises keskkonnas
Korrosioon aluselises keskkonnas
Gaaside ja heitgaaside korrosioon
Korrosioon kanalisatsiooni- ja kanalisatsioonisüsteemides
Korrosioon keemilises ja naftakeemiakeskkonnas

Seotud teemad

CPT – roostevabade teraste ja niklisulamite kriitiline punktkorrosiooni temperatuur
PREN – roostevaba terase punktkorrosioonikindluse indeks
CCT – Roostevabade teraste ja niklisulamite kriitiline pilukorrosiooni temperatuur