קורוזיה בסביבות שונות - קורוזיה סביבתית של מתכות ופלדה

קורוזיה סביבתית כוללת את תהליכי הפירוק של מתכות וסגסוגות המתרחשים תחת השפעת תנאים סביבתיים כגון אטמוספירה, מי ים, מים מתוקים, אדמה וסביבות כלוריד, חומצה ובסיס. קורוזיה של מתכת תלויה לא רק בסוג החומר אלא גם בסביבה בה היא פועלת. אותה דרגת פלדה יכולה לשמור על עמידות גבוהה במשך שנים רבות בתנאים אטמוספריים מתונים, אך בסביבות המכילות כלורידים, חומצות, טמפרטורות גבוהות או משקעים, היא עלולה לחוות קורוזיה מקומית או כללית עזה. הסביבה הקורוזיווית קובעת, בין היתר, את יציבות השכבה הפסיבית של פלדת האל-חלד, את קצב התגובות האלקטרוכימיות ואת הפוטנציאל לסדיקה בקורוזיה, חריצים, גלוונית, מיקרוביאלית (MIC) וקורוזיה במאמץ (SCC). לכן, בחירת החומר הנכונה דורשת ניתוח לא רק של דרגת הפלדה וההרכב הכימי שלה, אלא גם של תנאי ההפעלה בפועל.

סביבה קורוזיבית ומנגנון קורוזיה

מונחים כמו קורוזיה ימית, קורוזיה אטמוספרית, קורוזיה בקרקע או קורוזיה במים מתארים בעיקר סביבת קורוזיהאין לבלבל אותם עם מנגנונים או צורות של הרס כגון קורוזיה גורים, חריצים, גלוונית או קורוזיה בין-גרגירית.
מספר מנגנוני קורוזיה יכולים להתקיים יחד בסביבה אחת. לדוגמה, נוכחות של כלורידים במי ים יכולה לקדם קורוזיה של חריצים וקורוזיה של נירוסטה, מגע של מתכת שונה יכול לגרום לקורוזיה גלוונית, ביופילם יכול לתרום להתפתחות קורוזיה מיקרוביאלית (MIC), והשילוב המתאים של מאמץ, טמפרטורה וסביבת כלוריד יכול להוביל לסדיקה בקורוזיית מאמץ (SCC).

סביבה	הגורמים החשובים ביותר	צורות אפשריות של קורוזיה
יַמִי	כלורידים, טמפרטורה, חַמצָןביופילם, משקעים, זרימה	חורים, סדק, גלווני, MIC, ארוזיבי, SCC
אטמוספרי	לחות, זמן הרטבה, מלחים, זיהומים, טמפרטורה	כללי, מקומי, גורים, סדק, גלווני
טָחוּן	לחות, מלחים, pH, חמצן, מיקרואורגניזמים, זרמים תועים	כללי, מקומי, קורוזיה של גומות, MIC, קורוזיה של זרם תועה
מים מתוקים ותעשייתיים	כלורידים, קשיות, pH, חמצן, טמפרטורה, משקעים, תוספים כימיים	חורים, סדק, גלווני, מיקרופון, ארוזיבי
כלוריד	ריכוז כלור, טמפרטורה, pH, פוטנציאל, פערים	חורים, סדק, SCC
חָמוּץ	סוג חומצה, ריכוז, טמפרטורה, זיהומים, פוטנציאל חמצון-חיזור	צורות קורוזיה כלליות, ובהתאם לתנאים, מקומיות
בְּסִיסִי	סוג הבסיס, ריכוז, טמפרטורה, זיהומים	סדקים כלליים, מקומיים, של קורוזיית מאמץ בתנאים ספציפיים

קורוזיה בסביבה הימית

הסביבה הימית היא אחת מסביבות התפעול התובעניות ביותר עבור חומרי מבנה רבים. מי ים מכילים כמויות משמעותיות של כלורידים, אשר עלולים לערער את היציבות של השכבה הפסיבית של פלדת אל-חלד ולקדם התפתחות של קורוזיה ופליטת חריצים.

עם זאת, תנאי הקורוזיה אינם אחידים בכל מבנה ימי. חומרים השקועים לצמיתות במים מתנהגים בצורה שונה, הן באזור הבין-גאות והן באזור ההתזה או באטמוספירה החופית. טמפרטורה, מהירות המים, חמצון, ביופילם, משקעים ומגע עם מתכות אחרות גם הם משחקים תפקיד.
ביישומים ימיים תובעניים יותר, במקום פלדות אוסטניטיות סטנדרטיות, פלדות דופלקס וסופר-דופלקס, משתמשים בפלדות אוסטניטיות בעלות סגסוגת גבוהה מסוג 6Mo וסגסוגות ניקל שנבחרו כראוי.

קורוזיה אטמוספרית

קורוזיה אטמוספרית מתרחשת על משטחי מתכת החשופים לאטמוספרה ולשכבת הלחות שנוצרת עליהם. עוצמת התהליך תלויה בעיקר בזמן הרטבת פני השטח, בלחות, בטמפרטורה ובנוכחות מלחים ומזהמים.
אווירה כפרית עם רמות זיהום נמוכות היא בדרך כלל הרבה פחות אגרסיבית מאשר אווירה תעשייתית או חופית. ליד הים, תרסיס מלח תורם כלורידים, בעוד שבסביבות תעשייתיות, תרכובות גופרית ומזהמים אחרים עשויים למלא תפקיד נוסף.
אבק, מלח ומזהמים אחרים יכולים לשמור על לחות וליצור תנאים מקומיים התורמים לקורוזיה. לכן, מצב המשטח, עיצובו המאפשר שטיפה טבעית וניקוי תקופתי יכולים להשפיע באופן משמעותי על עמידות הרכיבים.

קורוזיה קרקעית

הקרקע היא סביבה מורכבת והטרוגנית ביותר. קורוזיה של מבנים תת-קרקעיים מושפעת מגורמים כגון לחות, הרכב כימי של הקרקע, תכולת כלוריד וסולפט, רמת חומציות (pH), מוליכות חשמלית, זמינות חמצן, פעילות מיקרוביאלית ונוכחות זרמים תועים.
הטרוגניות בקרקע יכולה להוביל להבדלים מקומיים בתנאים האלקטרוכימיים על פני השטח של אותו רכיב. יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לצינורות, מיכלים, מבנים תת-קרקעיים ונקודות מעבר בין סוגי קרקע שונים.
עבור מבנים קבורים, בחירת החומרים היא רק מרכיב אחד של ההגנה. בהתאם למבנה ולתנאים, נעשה שימוש גם בציפויים מתאימים, הגנה קתודית ובקרת זרמים תועים.

קורוזיה במים מתוקים ותעשייתיים

המונח "מים" אינו מתאר סביבה קורוזיבית אחת. מי שתייה, מי נהר, מי בארות, מי קירור, מי דוודים ומי תהליך יכולים להשתנות באופן משמעותי בהרכב הכימי ובאגרסיביות שלהם.
הפרמטרים החשובים ביותר כוללים תכולת כלוריד, pH, טמפרטורה, חמצון, קשיות, מוליכות, נוכחות משקעים, ונוכחות מעכבים, ביוצידים ותוספים טכנולוגיים אחרים. תנאי הזרימה חשובים גם הם. קיפאון יכול לקדם היווצרות משקעים, ביופילם והבדלי חמצון מקומיים, בעוד שקצבי זרימה גבוהים מאוד בתנאים מסוימים יכולים להגביר את הסיכון לסחיפה וקורוזיה ארסיבית.
במקרה של פלדות אל חלד, יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לכלורידים. ככל שריכוזם וטמפרטורהם עולים, כך עולה הסיכון לקורוזיה מקומית, ועמידות החומר בפני קורוזיה של שקעים וחריצים, כמו גם פרמטרים כמו PREN, CPT ו-CCT, הופכים חשובים יותר ויותר.

קורוזיה בסביבות כלוריד

כלורידים הם בין הגורמים החשובים ביותר המגבילים את השימוש בפלדות אל חלד. הם יכולים לערער באופן מקומי את היציבות של השכבה הפסיבית ולהוביל לתחילתה של קורוזיה גולמית וחריצים. בתנאים מתאימים, כלורידים יכולים גם לתרום לסדיקה בקורוזיית מאמץ (SCC).
לא ניתן להעריך סיכון אך ורק על סמך ריכוז כלוריד. טמפרטורה, pH, פוטנציאל אלקטרוכימי, נוכחות סדקים ומשקעים ומצב פני השטח הם כולם גורמים חשובים. לכן, ריכוז הכלוריד המותר עבור מין נתון אינו ערך יחיד ואוניברסלי החל בכל התנאים.
עמידותן של פלדות אל-חלד לקורוזיה מקומית בסביבות כלוריד עולה בעיקר עם תכולת כרום, מוליבדן וחנקן המתאימה. מדד PREN משמש להשוואה ראשונית של חומרים, בעוד שניתן לאפיין גם עמידות במעבדה לתחילת קורוזיה מקומית באמצעות CPT ו-CCT.

קורוזיה בסביבות חומציות

סביבות חומציות עלולות לגרום לקורוזיה כללית עזה אם השכבה הפסיבית של החומר אינה יציבה בתנאים הנתונים. עם זאת, אין "עמידות חומצה" אחת ואוניברסלית. התנהגות החומר תלויה בסוג החומצה, בריכוזה, בטמפרטורה שלה, בנוכחות חמצן וחומרים מחמצנים אחרים, ובזיהומים, כולל יוני כלוריד.
חומצות גופרתיות, הידרוכלוריות, זרחתיות, חנקתיות, אצטיות ופורמיות יוצרות סביבות קורוזיביות שונות. חומר עמיד מאוד לחומצה אחת לא בהכרח יפגין עמידות דומה לאחרת. חומצה הידרוכלורית אגרסיבית במיוחד לפלדות אל חלד רבות משום שהיא משלבת סביבה חומצית עם פעילות כלוריד גבוהה.
בבחירת חומר לשימוש בסביבות חומציות, יש צורך לקחת בחשבון את המערכת הספציפית: חומר - חומצה - ריכוז - טמפרטורה - מזהמים. בפועל, דיאגרמות איזוקורוזיה משמשות, בין היתר, כדי לקבוע את קצב הקורוזיה בהתאם לטמפרטורה ולריכוז של התווך הנתון.

קורוזיה בסביבות אלקליות

פלדות אל-חלד רבות מפגינות עמידות טובה לסביבות אלקליות מתונות, אך אלקליות מרוכזות מאוד, במיוחד בטמפרטורות גבוהות, יכולות להיות אגרסיביות. סוג האלקלי, ריכוזו, הטמפרטורה ונוכחות זיהומים נוספים הם גורמים חשובים.

דוגמה לכך היא נתרן הידרוקסידי (NaOH), המשמש בתהליכים כימיים רבים. בהתאם לריכוז ולטמפרטורה, חומר שנבחר בצורה לא נכונה יכול להיות רגיש לקורוזיה מואצת או לצורות מסוימות של סדקים כתוצאה מקורוזיית מאמץ. כמו בסביבות חומציות, הערכת העמידות צריכה להתבסס על תנאי התהליך הספציפיים, ולא רק על המונח "סביבה אלקלית".

קורוזיה בגזים ובגזי פליטה

סביבות גזיות וגזי פליטה עלולים לגרום לקורוזיה של מתכות הן בנוכחות לחות ועיבוי והן בטמפרטורות גבוהות. אגרסיביות הסביבה נקבעת על ידי גורמים כגון טמפרטורה, תכולת אדי מים, חמצן, תרכובות גופרית, כלור ורכיבים גזיים אחרים, והפוטנציאל להתעבותם על פני המתכת. אזורים שבהם טמפרטורת פני השטח יורדת מתחת לנקודת הטל ונוצר מעיבוי המכיל תוצרי בעירה מומסים עלולים להיות מסוכנים במיוחד. בהתאם לתנאים, קורוזיה כללית, מקומית, התעבות וקורוזיה בטמפרטורה גבוהה עלולה להתרחש. בחירת החומרים דורשת התחשבות הן בהרכב הגז, בטמפרטורת ההפעלה וטמפרטורת פני השטח של הרכיב.

קורוזיה בביוב ובמערכות ביוב

מערכות ביוב וביוב יוצרות סביבה קורוזיבית מורכבת, שבה כלורידים, סולפטים, סולפידים, תרכובות אורגניות, pH משתנה, משקעים ומיקרואורגניזמים יכולים להתקיים יחד. חשיבות מיוחדת היא הפוטנציאל לקורוזיה מיקרוביאלית (MIC) וליצירת מימן גופרתי (H₂S) בתנאים אנאירוביים. בחללים שמעל השפכים, H₂S יכול להתחמצן על ידי תהליכים ביולוגיים לתרכובות היוצרות סביבה חומצית ביותר, וזו בעיה משמעותית במיוחד עבור רכיבי בטון ומתכת בתשתית הביוב. מדיה עומדת, משקעים, ביופילם והבדלים בחמצון יכולים לקדם עוד יותר קורוזיה מקומית. בחירת חומרים צריכה לקחת בחשבון את הרכב השפכים בפועל, טמפרטורה, pH, כלורידים, תרכובות גופרית, תנאי זרימה ופעילות מיקרוביולוגית.

קורוזיה בסביבות כימיות ופטרוכימיות

מתקנים כימיים ופטרוכימיים הם בין סביבות הקורוזיה המגוונות ביותר. חומרים עלולים לבוא במגע עם חומצות, בסיסים, כלורידים, מימן גופרתי (H₂S), פחמן דו-חמצני (CO₂), תרכובות גופרית, ממסים, מי תהליך ותערובות של כימיקלים רבים. תנאים אלה עלולים להוביל לקורוזיה כללית ומקומית, סדקים בקורוזיית מאמץ (SCC), קורוזיה מתחת לשקיעות ומנגנונים אחרים התלויים בתהליך. עמידות החומר נקבעת לא רק על ידי ההרכב הכימי של המדיום אלא גם על ידי ריכוזו, הטמפרטורה, הלחץ, תכולת המים, הזרימה, המזהמים והמאמצים בתוך המבנה. בסביבות אגרסיביות יותר, בנוסף לפלדות אל חלד סטנדרטיות, נעשה שימוש בפלדות דופלקס וסופר-דופלקס, פלדות אוסטניטיות בעלות סגסוגת גבוהה וסגסוגות ניקל שנבחרו כראוי. בחירת החומרים צריכה להתבסס תמיד על תנאי התהליך בפועל, מכיוון שהמונחים הכלליים "סביבה כימית" או "פטרוכימי" אינם מאפשרים הערכה אחת של סיכון הקורוזיה.

הגורמים החשובים ביותר הקובעים את אגרסיביות הסביבה

ללא קשר לסוג הסביבה, ישנם מספר פרמטרים בעלי השפעה חזקה במיוחד על מהלך תהליכי הקורוזיה:

טמפרטורה – עלייה בטמפרטורה לעיתים קרובות מאיצה תגובות אלקטרוכימיות ועשויה להפחית את העמידות בפני קורוזיה מקומית,
pH – משפיע על יציבות השכבה הפסיבית ועל מהלך התגובות האלקטרוכימיות,
כלורידים והלידים אחרים – הם בין הגורמים החשובים ביותר המפעילים קורוזיה מקומית של פלדות אל חלד,
חמצן וחומרים מחמצנים אחרים – משפיעים על הפוטנציאל האלקטרוכימי ועל היכולת לשמור על שכבה פסיבית,
זרימה בינונית – עשוי לשפר את העברת המסה, אך במהירויות גבוהות ובנוכחות חלקיקים זה עלול גם להגביר את הסיכון לקורוזיה כתוצאה משחיקה,
משקעים וסדקים – ליצור סביבות מקומיות שונות מהתווך הראשי ומקדמות קורוזיה בסדקים,
מיקרואורגניזמים פעילות ביופילם ופעילות מיקרוביולוגית עשויים להשפיע על תנאים אלקטרוכימיים מקומיים והתפתחות מיקרוביולוגיה מיקרוסקופית (MIC),
מגע של מתכות שונות – בנוכחות אלקטרוליט זה יכול להוביל להיווצרות של תא גלווני,
לְהַדגִישׁ – בשילוב עם סביבה מסוימת יכול להוביל לסדיקה בקורוזיית מאמץ (SCC).

בחירת חומרים לסביבות קורוזיביות

אין דרגת פלדת אל-חלד אחת המתאימה ביותר לכל הסביבות. פלדות אל-חלד פופולריות מדגם 304L ו-316L מתאימות למגוון רחב של יישומים, אך עמידותן עשויה להיות לא מספקת בסביבות כלוריד חמות, מי ים, חומצות חזקות או מבנים הרגישים במיוחד לקורוזיה בסדקים.

ככל שהאגרסיביות הסביבתית גוברת, נעשה שימוש בפלדות סגסוגת גבוהה כגון 904L, פלדות דופלקס וסופר-דופלקס, פלדות אוסטניטיות 6Mo כגון 1.4547 ו-1.4529, וסגסוגות ניקל שנבחרו כראוי. עם זאת, רמת סגסוגת גבוהה יותר אינה אומרת בהכרח שחומר יהיה הפתרון הטוב ביותר בכל סביבה.

הבחירה צריכה לקחת בחשבון את ההרכב הכימי של המדיום, הטמפרטורה, ה-pH, ריכוז הכלוריד, תנאי הזרימה, נוכחות סדקים ומשקעים, מאמצים, טכנולוגיית בנייה וזמן הפעלה צפוי.

יש לנתח את הסביבה והחומר יחד

עמידות בפני קורוזיה אינה תכונה שניתן לתאר כראוי במונח יחיד כמו "פלדה עמידה בפני קורוזיה". חומר הוא עמיד או רגיש לקורוזיה ביחס לסביבות ותנאי הפעלה ספציפיים.

לכן, בעת תכנון מתקן, יש צורך לנתח את המערכת כולה: חומר – סביבה – טמפרטורה – תכנון – שיטת בנייה – תנאי הפעלה . רק גישה זו מאפשרת הערכה נכונה של סיכון קורוזיה ובחירת חומרים בעלי העמידות הנדרשת.

קורוזיה של מתכות בסביבות שונות

סביבות קורוזיביות אינדיבידואליות דורשות ניתוח נפרד. המאמרים הבאים מספקים תיאורים מפורטים של מנגנוני קורוזיה, גורמי סיכון ועקרונות בחירת חומרים עבור התנאים הבאים:

סביבת ההפעלה היא אחד הגורמים הבסיסיים הקובעים את עמידותן של מתכות וסגסוגות. אטמוספרה, אדמה, מי ים, מים תעשייתיים, כלורידים, חומצות ובסיסים יכולים ליצור תנאי קורוזיה שונים לחלוטין ולהפעיל מנגנוני פירוק שונים של חומרים.
לכן, ידע על סוג החומר לבדו אינו מספיק כדי להעריך את עמידותו. בחירה נכונה דורשת קביעת תנאי ההפעלה בפועל וזיהוי מנגנוני הקורוזיה שעשויים להתרחש. רק שילוב של ידע על החומר והסביבה מאפשר הערכה נכונה של עמידות הקורוזיה של מבנה.

סוגי קורוזיה של פלדה ומתכות

נושאים קשורים

CPT - טמפרטורת קורוזיה קריטית של פלדות אל-חלד וסגסוגות ניקל
PREN – מדד עמידות בפני קורוזיה בור עבור פלדת אל-חלד
CCT - טמפרטורת קורוזיה קריטית בסדקים של פלדות אל חלד וסגסוגות ניקל