Maaperän korroosio – metallien ja teräksen korroosio maaperässä

Maaperän korroosio on prosessi, jossa metallit ja metalliseokset tuhoutuvat suorassa kosketuksessa maan kanssa. Se vaikuttaa muun muassa maanalaisiin putkistoihin, säiliöihin, perustuspaaluihin, teräsrakenteisiin, vesi- ja kaasuasennuksiin, maadoitusjärjestelmiin ja muihin maanalaisiin infrastruktuurielementteihin. Maaperä on erityisen monimutkainen ympäristö, koska sen kemialliset, fysikaaliset ja biologiset ominaisuudet voivat muuttua jopa lyhyillä etäisyyksillä.
Maaperän syövyttävyyteen vaikuttavat tekijät, kuten kosteus, resistiivisyys, liuenneen suolan pitoisuus, pH, hapen saatavuus, läpäisevyys, mineraalikoostumus, mikro-organismien läsnäolo ja harhavirrat. Myös maaperän heterogeenisuus on tärkeää. Sama alkuaine voi kulkea eri ominaisuuksilla varustettujen kerrosten läpi, mikä edistää paikallisten korroosiosolujen muodostumista.

Miksi metallit syöpyvät maaperässä?

Kostea maaperä voi toimia elektrolyyttinä, mikä mahdollistaa sähkökemiallisten reaktioiden syntymisen. Maahan haudatun metallin pinnalle voi muodostua anodisia ja katodisia alueita. Anodisilla alueilla tapahtuu metallin hapettumista ja asteittaista metallin häviämistä, kun taas katodisia reaktioita tapahtuu muualla pinnalla.
Anodisten ja katodisten alueiden jakautuminen riippuu paikallisista olosuhteista. Kosteuden, hapetuksen, suolapitoisuuden, pH:n ja maaperän koostumuksen erot voivat aiheuttaa saman rakenteen yksittäisten osien sähkökemiallisen käyttäytymisen eri tavoin. Tämän seurauksena maaperän korroosio voi olla joko suhteellisen tasaista tai hyvin paikallista.

Tärkeimmät maaperän korroosioon vaikuttavat tekijät

Maaperän resistiivisyys ja korroosioriski

Maaperän resistiivisyys on yksi yleisimmin käytetyistä parametreista maanalaisissa ympäristöarvioinneissa. Se määrittää maaperän kyvyn vastustaa sähkövirran kulkua. Maaperällä, joka sisältää paljon kosteutta ja liuenneita suoloja, on tyypillisesti alhaisempi resistiivisyys kuin kuivalla, hiekkamaalla.
Alhainen resistiivisyys voi edistää korroosiovirtojen kulkua ja on siksi merkki lisääntyneestä mahdollisesta riskistä. Maaperän syövyttävyyttä ei kuitenkaan pidä arvioida pelkästään yhden resistiivisyysarvon perusteella. Myös kosteus, pH, ionikoostumus, hapetus, mikro-organismit ja harhavirtojen esiintyminen on otettava huomioon.

Maan kosteus

Maaperän huokosissa oleva vesi helpottaa ionien kuljetusta ja elektrolyytin muodostumista metallin pinnalle. Kosteuspitoisuus on siksi ratkaisevan tärkeä sähkökemiallisen korroosion kululle.
Kosteuden ja korroosionopeuden välinen suhde ei kuitenkaan ole lineaarinen. Hyvin kuivassa maaperässä ionijohtavuus on alhainen. Kosteuden kasvaessa johtavuus tyypillisesti kasvaa. Hyvin korkeilla veden kyllästymistasoilla hapen pääsy pinnalle voi kuitenkin heikentyä. Korroosion lopullinen kulku riippuu siis elektrolyyttijohtavuuden ja reagenssien kuljetuksen välisestä tasapainosta.

Differentiaaliilmastuskennot

Yksi maaperässä esiintyvistä tyypillisistä ilmiöistä on solujen muodostuminen, joka johtuu hapen erilaisesta pääsystä metallipinnan tiettyihin osiin. Hyvin ilmastuneessa, läpäisevässä maaperässä sijaitsevalla alueella voi olla erilaiset sähkökemialliset olosuhteet kuin tiiviissä, märässä tai sedimentin peittämässä maaperässä sijaitsevalla alueella.
Tällaiset erot voivat johtaa anodi- ja katodialueiden suhteellisen suuriin etäisyyksiin toisistaan. Tämän seurauksena voimakas materiaalihävikki voi keskittyä tiettyyn rakenteen osaan, vaikka koko komponentti olisi valmistettu samasta materiaalista.

Maaperän pH:n vaikutus

Maaperän pH vaikuttaa sähkökemiallisiin reaktioihin ja korroosiotuotteiden stabiilisuuteen. Hiiliterästen tapauksessa erittäin hapan ympäristö voi lisätä korroosionopeutta. Ruostumattomien terästen käyttäytyminen riippuu myös niiden passiivikerroksen stabiilisuudesta ja aggressiivisten ionien, pääasiassa kloridien, läsnäolosta.
Pelkkä pH ei kuitenkaan riitä määrittämään maaperän aggressiivisuutta. Kaksi saman pH:n omaavaa maaperää voivat erota toisistaan ​​resistiivisyydessä, kloridi- ja sulfaattipitoisuudessa, kosteuspitoisuudessa ja hapetuksessa, ja näin ollen aiheuttaa täysin erilaisia ​​korroosionopeuksia ja -tyyppejä.

Maaperään liuenneet kloridit ja suolat

Liuenneet suolat lisäävät maaperän huokosveden johtavuutta. Kloridit ovat erityisen tärkeitä, koska ne voivat myös horjuttaa ruostumattoman teräksen passiivikerrosta ja lisätä piste- ja rakokorroosion riskiä.
Klorideja voi olla peräisin luonnollisista maaperän osista, pohjavedestä, rannikkoympäristöistä, teollisesta toiminnasta ja jäänpoistosuolojen käytöstä. Paikallinen suolan kertyminen voi luoda paljon aggressiivisemman ympäristön kuin alueen yleiset ominaisuudet antaisivat ymmärtää.

Mikrobiologinen korroosio MIC maaperässä

Maaperä on biologisesti aktiivinen ympäristö. Mikro-organismit voivat muodostaa biofilmin ja muuttaa metallin pinnan paikallisia kemiallisia ja sähkökemiallisia olosuhteita. Tätä prosessia kutsutaan mikrobiologisesti vaikuttavaksi korroosioksi (MIC).
Happirajoitetuissa ympäristöissä rikkiyhdisteiden aineenvaihduntaan osallistuvilla mikro-organismeilla voi olla merkitystä. Minimikorjaussäästöä (MIC) ei kuitenkaan pidä pelkistää yhden bakteeriryhmän toimiksi. Todellisissa ympäristöissä monimutkaiset mikro-organismien yhteisöt voivat osallistua korroosioprosesseihin, ja niiden vaikutus riippuu kemiallisista ja biologisista olosuhteista.
Mikrobiologinen korroosio voi olla hyvin paikallista ja johtaa syviin materiaalivahinkoihin, minkä vuoksi se on merkittävä uhka putkistoille, säiliöille ja muille maanalaisille rakenteille.

Harhavirrat ja maanalaisten rakenteiden elektrolyyttinen korroosio

Harhavirrat ovat sähkövirtoja, jotka kulkevat muita reittejä kuin tarkoitettua sähköpiiriä pitkin. Niitä voi esiintyä muun muassa tasavirtakäyttöisten vetojärjestelmien, teollisuuslaitosten ja muiden rakenteiden katodisten suojausjärjestelmien lähellä.
Jos tasavirta virtaa metalliseen maanalaiseen rakenteeseen ja virtaa sitten ulos maahan eri kohdasta, virran kulkualueesta voi tulla voimakkaan anodisen metallin liukenemisen paikka. Seurauksena olevat vauriot voivat olla hyvin paikallisia.
Hajavirtavaarojen arviointi edellyttää sähköisiä ja sähkökemiallisia mittauksia. Rakennepotentiaalien ja samalla vaikutusalueella sijaitsevien katodisten suojausjärjestelmien vuorovaikutuksen seuranta on erityisen tärkeää.

Maanalaisten putkistojen korroosio

Putkilinjat ovat erityisen alttiita maaperän korroosiolle pitkän pituutensa ja vaihtelevien maaperäolosuhteiden vuoksi. Yhdessä osassa voi olla kuivaa, hiekkaista maaperää, kun taas toisessa voi olla märkää savimaata, suolaisia ​​alueita tai alueita, joilla on rajoitettu hapensaanti.
Teräsputkien ensisijainen suojaus on tyypillisesti oikein valittu eristävä pinnoite, joka rajoittaa metallipinnan ja elektrolyytin välistä kosketusta. Monissa kriittisissä maanalaisissa rakenteissa pinnoitteet toimivat yhdessä katodisen suojauksen kanssa.
Pinnoitteen vaurioituminen on erityisen merkittävää, koska se paljastaa pieniä osia metallipinnasta. Suojausjärjestelmä tulee suunnitella ja valvoa ottaen huomioon pinnoitteen kunto, maaperän ominaisuudet ja muiden asennusten mahdolliset vaikutukset.

Maan alla olevien rakenteiden katodinen suojaus

Katodinen suojaus käsittää suojattavan rakenteen potentiaalin hallitsemisen sen anodisen liukenemisen rajoittamiseksi. Käytössä on kaksi perusratkaisua: suojaus galvaanisilla anodeilla ja ulkoisella virtalähteellä varustetut järjestelmät, joita kutsutaan nimellä ICCP (Impressed Current Cathodic Protection).

Katodinen suojaus ei tarkoita yhden, universaalin potentiaalin asettamista kaikille rakenteille. Suojauskriteerit riippuvat tekijöistä, kuten materiaalista, rakennetyypistä, ympäristöstä ja sovellettavasta standardista. Väärin suunniteltu järjestelmä voi olla tehoton tai johtaa ei-toivottuihin vaikutuksiin viereisiin asennuksiin.

Maaperän suojapinnoitteet

Suojapinnoite luo esteen metallin ja kostean maan välille. Maanalaisissa rakenteissa käytetään epoksia, polyeteeniä, polypropeenia ja muita järjestelmiä rakenteen tyypistä ja käyttöolosuhteista riippuen.
Mitään pinnoitetta ei kuitenkaan voida pitää täysin virheettömänä suojana koko käyttöikänsä ajan. Vaurioita voi syntyä kuljetuksen, asennuksen, täytön tai rakenteen myöhemmän käytön aikana. Tästä syystä monissa asennuksissa pinnoite ja katodinen suojaus ovat osa yhtä korroosionestojärjestelmää.

Ruostumaton teräs maassa

Ruostumattomat teräkset voivat olla erittäin kestäviä monissa maaperäolosuhteissa, mutta niiden suorituskyky riippuu kyvystä ylläpitää passiivinen kerros. Erityisen epäsuotuisia voivat olla maaperät, joissa on korkea kloridipitoisuus, alueet, joilla on rajoitettu hapen saanti, raot, sedimentit ja MIC:n kehittymistä edistävät ympäristöt.
Ruostumattomasta teräksestä valmistetun elementin upottaminen maahan ei automaattisesti takaa täydellistä korroosionkestävyyttä. Paikallista korroosiota voi esiintyä aggressiivisissa maaperäolosuhteissa, ja laatuluokan valinnassa on otettava huomioon maaperän ja pohjaveden koostumus, lämpötila, halkeamien muodostumispotentiaali ja biologiset olosuhteet.

Materiaalin valinta maanpäälliseen työhön

Taulukossa esitetään vain materiaalien yleiset ominaisuudet. Ei ole olemassa yleispätevää tyyppiä, joka sopisi kaikille maaperille. Oikea valinta edellyttää ympäristöparametrien ja rakennusolosuhteiden tuntemusta.

Miten maaperän syövyttävyyttä testataan?

Maaperän ympäristövaikutusten arviointiin voi sisältyä resistiivisyyden, pH:n ja kosteuden mittaukset sekä kloridin, sulfaatin ja muiden liukoisten komponenttien analyysi. Rakenteen tyypistä riippuen suoritetaan myös sähkökemiallisia potentiaalimittauksia, hajavirtatestejä ja mikrobiologiselle aktiivisuudelle suotuisten olosuhteiden arviointia.
Pitkien lineaaristen rakenteiden kohdalla yksi maanäyte ei välttämättä ole edustava. Olosuhteet tulisi arvioida useissa pisteissä, erityisesti silloin, kun maalaji, kosteus, suolapitoisuus, sähköasennusten läheisyys ja muut mahdolliset korroosion lähteet muuttuvat.

Miten maaperän korroosiota voidaan vähentää?

• tunnista maaperän ominaisuudet ennen materiaalin ja suojausjärjestelmän valintaa,
• käytä oikein valittuja suojapinnoitteita,
• vaativissa asennuksissa on käytettävä asianmukaisesti suunniteltua katodista suojausta,
• tarkista pinnoitteen laatu ja jatkuvuus ennen rakenteen peittämistä,
• valvoa rakenteen potentiaaleja ja katodisen suojausjärjestelmän toimintaa,
• ottaa huomioon hajavirtojen ja viereisten asennuksien läsnäolo,
• analysoida MIC-riskiä mikrobiologiselle aktiivisuudelle suotuisissa ympäristöissä,
• välttää eri metallien epäsuotuisia yhdistelmiä,
• ottaa huomioon maaperän ominaisuuksien muutokset koko rakenteen pituudelta.

Maaperän korroosio ja ilmakehän korroosio

Maaperän ja ilmakehän korroosio ovat sähkökemiallisia prosesseja, mutta hapen, kosteuden ja ionien kuljetuksen olosuhteet vaihtelevat kussakin ympäristössä. Ilmakehässä pinta tyypillisesti käy läpi kostumis- ja kuivumissyklejä, kun taas maassa metalli pysyy kosketuksissa huokosveden kanssa, jonka koostumus ja hapen saatavuus voivat vaihdella merkittävästi paikallisesti.
Erityisen kiinnostavia ovat alueet, joissa rakenteet ylittävät maanpinnan ja ilmakehän rajan. Muuttuvat kosteus-, hapetus- ja kontaminaatioolosuhteet voivat johtaa paikallisten korroosiosolujen muodostumiseen, joten nämä siirtymävyöhykkeet vaativat asianmukaista suojausta.

Maaperän korroosio on monimutkainen prosessi, joka riippuu kosteuden, resistiivisyyden, pH:n, suolojen, hapen, mikro-organismien, harhavirtojen ja maaperän heterogeenisyyden samanaikaisista vaikutuksista. Siksi maanalaisen ympäristön aggressiivisuutta on mahdotonta määrittää yhden parametrin perusteella.
Hiiliteräsrakenteiden tapauksessa suojauksen perustana ovat oikein valitut pinnoitteet ja monissa sovelluksissa katodinen suojaus. Ruostumattomat teräkset tarjoavat paremman kestävyyden monissa olosuhteissa, mutta ne voivat myös altistua paikalliselle korroosiolle kloridien, rakojen, kerrostumien ja epäsuotuisien biologisten olosuhteiden läsnä ollessa.
Maanalaisten rakenteiden asianmukainen suojaaminen edellyttää koko järjestelmän analysointia: materiaali – maaperä – pohjavesi – pinnoite – katodinen suojaus – harhavirrat – käyttöolosuhteet.

Teräksen ja metallien korroosiotyypit

Teräksen ja metallien tasainen korroosio
Ruostumattomien terästen pistekorroosio
Ruostumattomien terästen rakokorroosio
Ruostumattoman teräksen raerajakorroosio
Jännityskorroosiohalkeilu SCC
Galvaaninen korroosio
Eroosiokorroosio
Kavitaatiokorroosio
Korroosioväsyminen
Kiertokorroosio
Mikrobiologinen korroosio MIC
Korkean lämpötilan korroosio

Korroosion jaottelu ympäristön mukaan

Merikorroosio – teräksen ja metallien korroosio merivedessä
Korozja atmosferyczna
Maaperän korroosio
Korroosio makeassa ja teollisuusvedessä
Korroosio kloridiympäristöissä
Korroosio happamissa ympäristöissä
Korroosio emäksisissä ympäristöissä
Kaasujen ja pakokaasujen korroosio
Korroosio viemäri- ja viemärijärjestelmissä
Korroosio kemiallisissa ja petrokemiallisissa ympäristöissä

Aiheeseen liittyvät aiheet

CPT – ruostumattomien terästen ja nikkeliseosten kriittinen pistekorroosiolämpötila
PREN – ruostumattoman teräksen pistekorroosionkestävyysindeksi
CCT – Ruostumattomien terästen ja nikkeliseosten kriittinen rakokorroosiolämpötila