קורוזיה ימית - קורוזיה של פלדה ומתכות במי ים

קורוזיה ימית היא מונח המשמש לתיאור תהליכי קורוזיה המתרחשים בסביבה הימית, וכולל הן מגע ישיר עם מי ים והן את השפעות האטמוספירה החופית, רסס מלח, אזור הבין-גאות ואזור ההתזה. זה אינו מנגנון קורוזיה יחיד ומובחן. בין היתר, קורוזיה אחידה, קורוזיה גולמית, קורוזיה בסדקים, קורוזיה גלוונית, קורוזיה ארוזית, קורוזיה מיקרוביאלית (MIC), ותחת תנאי חומר, טמפרטורה ומאמץ מתאימים - קורוזיה מאמצת (SCC) יכולים להתרחש בו זמנית בסביבה הימית.
מי ים הם סביבה תובענית במיוחד לחומרי בנייה בשל תכולת הכלוריד הגבוהה שלהם, המוליכות החשמלית הטובה, נוכחות החמצן, הפעילות הביולוגית והפוטנציאל להיווצרות משקעים וסדקים. התוקפנות בפועל של הסביבה נקבעת גם על ידי טמפרטורה, קצב זרימה, חמצון, מזהמים, שיטת הכלרת המים וגיאומטריית המבנה.

מדוע מי ים גורמים לקורוזיה?

אחד הגורמים החשובים ביותר האחראים לאגרסיביות של מי ים הוא התכולה הגבוהה של יוני כלוריד (Cl⁻). כלורידים יכולים לערער באופן מקומי את היציבות של השכבה הפסיבית המגנה על פני השטח של פלדת האל-חלד ולהוביל לתחילת קורוזיה של חריצים וחריצים.
מי ים הם גם אלקטרוליט בעל מוליכות גבוהה יחסית. זה מקל על תהליכים אלקטרוכימיים, כולל היווצרות של תאים גלווניים בין מתכות שונות. מגע בין שני חומרים בעלי פוטנציאלים אלקטרוכימיים שונים יכול להוביל לקורוזיה מואצת של החומר הפועל כאנודה.
מי ים טבעיים הם גם סביבה פעילה ביולוגית. ביופילמים הנוצרים על משטחים יכולים לשנות תנאים אלקטרוכימיים מקומיים ולהגביר את הסיכון לקורוזיה מקומית. לכן, התנהגותה של פלדת אל-חלד במי ים טבעיים עשויה להיות שונה מזו שבתמיסות כלוריד פשוטות במעבדה.

אזורי קורוזיה בסביבה הימית

האגרסיביות של הסביבה הימית אינה אחידה על פני כל המבנה. רכיב הטבול לצמיתות במים פועל בתנאים שונים מזה הממוקם באזור הגאות והשפל, אזור ההתזה או אטמוספירה חופית.

קורוזיה גולמית במי ים

קורוזיה מחומצנת היא אחד האיומים החשובים ביותר על פלדות אל חלד הפועלות בסביבות ימיות. השכבה הפסיבית עלולה להינזק באופן מקומי על ידי כלורידים, ולהשאיר אזור פעיל קטן שבו עלול להתפתח קורוזיה מחומצנת.
התהליך יכול להתפתח באופן מקומי עם אובדן מסה קטן מאוד על פני כל הרכיב. לכן, גומה עמוקה יכולה לנקב רכיב בעל דופן דקה, למרות שחלק ניכר מהמשטח עדיין נראה ללא נזק.
הסיכון לקורוזיה כתוצאה מחוררות תלוי, בין היתר, בסוג החומר, בטמפרטורה, בריכוז הכלוריד, בפוטנציאל האלקטרוכימי, במצב פני השטח, בנוכחות משקעים ובפעילות ביולוגית.

קורוזיה מסדקים בסביבות ימיות

קורוזיה בסדקים יכולה להתפתח מתחת לאטמים, דיסקיות, משקעים, במפרקים עם אוגנים, הברגה ומחברים עם חפיפה ובמקומות אחרים שבהם חילופי מים עם הסביבה קשה.
בתוך הסדק, ההרכב הכימי של הסביבה המקומית משתנה. צריכת חמצן, נדידת יונים והידרוליזה של תוצרי קורוזיה יכולים להוביל לחמצון התמיסה ולעלייה בריכוז הכלוריד המקומי. התנאים בתוך הסדק הופכים אז לאגרסיביים משמעותית מאשר במים שמחוצה לו.
מסיבה זו, עמידותו של חומר בפני קורוזיה בסדקים חשובה במיוחד במבנים הפועלים במי ים. הפרמטר המשמש להשוואת עמידות זו במעבדה הוא טמפרטורת קורוזיה קריטית בסדקים (CCT).

קורוזיה גלוונית במי ים

המוליכות החשמלית הגבוהה של מי ים מקדמת קורוזיה גלוונית. אם שתי מתכות שונות נמצאות במגע חשמלי וטבולות בו זמנית במי ים, יכול להיווצר תא גלווני. החומר בעל הפוטנציאל הפעיל יותר הופך לאנודה, והקורוזיה שלו יכולה להיות מואצת.
לא רק סוג החומרים המחוברים חשוב, אלא גם היחס בין שטח הפנים של הקתודה לשטח הפנים של האנודה. זה במיוחד לא נוח כאשר שטח פנים קטן של חומר האנודה מחובר לשטח פנים גדול של חומר אצילי יותר.
לכן, בעת תכנון מבנים ימיים, יש צורך לנתח את כל החיבורים בין חומרים שונים, מחברים, ריתוכים ואת האפשרות לחבר חשמלית את המבנה עם אלמנטים מתכתיים אחרים.

ביופילם וקורוזיה מיקרוביאלית MIC

משטחים הטובלים במי ים טבעיים מושבתים על ידי מיקרואורגניזמים היוצרים ביופילמים. ביופילמים יכולים לשנות את התנאים הכימיים והאלקטרוכימיים על פני המתכת, לגרום להבדלים בחמצון ולהשפיע על הפוטנציאל האלקטרוכימי של פלדת אל-חלד.
לפיכך, פעילות ביולוגית יכולה להגביר את הרגישות של חומרים מסוימים לקורוזיה מפולים ובסדקים. תופעות הקשורות לפעילות מיקרוביאלית מכונות קורוזיה מושפעת מיקרוביולוגית (MIC), או קורוזיה מושפעת מיקרוביולוגית.
הסיכון ל-MIC משמעותי במיוחד במתקני מי ים טבעיים, בקצבי זרימה נמוכים, במהלך השבתות ובמקומות המועדים להצטברות משקעים והתפתחות ביופילם.

השפעת זרימת מי הים

מהירות זרימה יכולה להגביל ולהחריף איומי קורוזיה ספציפיים. זרימה מספקת יכולה לעכב הצטברות משקעים והתפתחות של תנאים מקומיים מסוימים המקדמים קורוזיה. מים עומדים, לעומת זאת, יכולים לקדם היווצרות ביופילם, שקיעה וחוסר איזון מקומי בחמצון.
במהירויות זרימה גבוהות מאוד, טורבולנציה או נוכחות של חלקיקים מוצקים, השפעה מכנית על פני השטח יכולה להיות משמעותית יותר. במערכות מסוימות, הדבר מוביל לשחיקה או קורוזיה ארוזיבית. כיפופים של צינורות, שסתומים, משאבות, היצרויות ואזורים של שינויים פתאומיים בכיוון הזרימה עשויים להיות פגיעים במיוחד.

השפעת הטמפרטורה

טמפרטורה היא אחד הפרמטרים החשובים ביותר המשפיעים על עמידותן של פלדות אל-חלד בסביבות כלוריד. ככל שהטמפרטורה עולה, רגישות החומר לקורוזיה של חריצים וסדקים עשויה לעלות.
אפיון מעבדתי של עמידות חומרים משתמש בפרמטרים כגון טמפרטורת קורוזיה קריטית (CPT) וטמפרטורת קורוזיה קריטית בסדקים (CCT). פרמטרים אלה נקבעים בתנאי בדיקה מוגדרים ואין להתייחס אליהם בטמפרטורות הפעלה מקסימליות אוניברסליות עבור חומרים במי ים.

PREN ועמידות לסביבה הימית

מספר שווה הערך לעמידות בפני קורוזיה (PREN) משמש להשוואה ראשונית של עמידות פלדות אל-חלד בפני קורוזיה מפני קורוזיה. בצורתו הפופולרית, עבור פלדות אל-חלד רבות, הוא מחושב על סמך תכולת הכרום, המוליבדן והחנקן:

PREN = %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N

הגדלת תכולת הכרום, המוליבדן והחנקן משפרת בדרך כלל את עמידות הקורוזיה המקומית בסביבות כלוריד. עם זאת, PREN הוא מדד מבוסס הרכב ואינו מתחשב בכל הגורמים הקובעים את ביצועי החומר בסביבה ימית אמיתית.
הוא אינו מתחשב בגיאומטריית הפער, איכות פני השטח, ריתוך, ביופילם, תנאי זרימה או פוטנציאל אלקטרוכימי ספציפי, בין היתר. לכן, יש להתייחס ל-PREN ככלי השוואתי ולא כקריטריון עצמאי לאישור חומר לשימוש במי ים.

פלדות אל-חלד וסגסוגות המשמשות בסביבות ימיות

בחירת החומר תלויה בסוג החשיפה. חומר המתאים למבנה הממוקם באטמוספירה חופית לא בהכרח יהיה מתאים לטבילה מתמשכת במי ים טבעיים. סדקים, טמפרטורה, כלור, זרימה ופוטנציאל לזיהום הם גם שיקולים חשובים.

הטבלה מציגה מאפיינים כלליים של קבוצות החומרים ואינה מהווה בסיס עצמאי לבחירת חומרים. בהתקנה בפועל, יש להתחשב בגורמים כגון טמפרטורה, חמצון, כלור, קצב זרימה, פוטנציאל להיווצרות חריצים ומשקעים, מצב פני השטח, מבנה הריתוך ואורך חיים נדרש.

316L ומי ים - טעות חומר נפוצה

פלדת 316L מקושרת בדרך כלל ליישומים ימיים בשל נוכחותה של מוליבדן ועמידותה הגבוהה יותר בפני קורוזיה מקומית בהשוואה לפלדות מסוג 304. עם זאת, אין פירוש הדבר ש-316L הוא חומר אוניברסלי עמיד בפני מי ים.
316L יכול לתפקד היטב ביישומים אטמוספריים רבים ועם חשיפה מתונה לכלוריד. עם זאת, הוא עלול להיות רגיש לקורוזיה מחוררת וסדקים כאשר הוא שקוע במי ים טבעיים למשך תקופות ממושכות. הסיכון גבוה במיוחד בסדקים, מתחת לסדימנט ובתנאים התומכים בפעילות ביולוגית.
לכן, המונח "פלדה ימית" בהתייחס ל-316L עלול להיות מטעה אם לא צוינו תנאי השירות בפועל.

דופלקס וסופר-דופלקס ביישומים ימיים

פלדות דופלקס משלבות מבנים פריטיים ואוסטניטיים, ומספקות חוזק מכני גבוה ועמידות טובה לסוגים רבים של קורוזיה בסביבות כלוריד. דופלקס 2205 מציג עמידות גבוהה משמעותית לקורוזיה מקומית ולסדקים כתוצאה ממאמץ כלוריד בהשוואה לפלדות אוסטניטיות סטנדרטיות 316L.
פלדות סופר-דופלקס כגון 1.4410 / UNS S32750 משמשות ביישומים ימיים תובעניים ביותר. תכולת הכרום, המוליבדן והחנקן הגבוהה שלהן מספקת ערך PREN גבוה ועמידות טובה מאוד בפני קורוזיה גולמית וחריצים.
סופרדופלקס משמש ביישומים הכוללים מתקנים ימיים, מערכות מי ים, מחליפי חום, צינורות, מערכות כיבוי אש, מתקני התפלה ומבנים אחרים הפועלים בסביבות עם רמות כלוריד גבוהות.

פלדות 6Mo במי ים

פלדות האוסטניטיות העמידות ביותר בפני קורוזיה הן פלדות 6Mo, המכילות כ-6% מוליבדן ותכולת כרום וחנקן מוגברת. דוגמאות לכך כוללות 1.4547 / UNS S31254 ו-1.4529 / UNS N08926.
בהשוואה לפלדת 316L, חומרים אלה מפגינים עמידות גבוהה משמעותית בפני קורוזיה של שקעים וחריצים. זה הופך אותם למתאימים ליישומים כגון מתקני מי ים, מתקני התפלה, מחליפי חום והתעשייה הכימית.

כלורציה של מי ים

כלורינציה משמשת במערכות מי ים כדי לשלוט בגדילת אורגניזמים וביופילם. טיפול זה יכול להפחית בעיות ביולוגיות, אך הוא גם משנה את התכונות האלקטרוכימיות של הסביבה.
כלור וחומרים מחמצנים יכולים להגביר את הפוטנציאל האלקטרוכימי של פלדת אל-חלד, אשר, בתנאים מסוימים, יכול להגביר את הרגישות לקורוזיה גולמית וקורוזיה בסדקים. לכן, בחירת חומר למי ים כלוריים צריכה לקחת בחשבון את שיטת מינון חומר החמצון, הריכוז, הטמפרטורה וזמן החשיפה.

קורוזיה ימית והשפעת ריתוך ומצב פני השטח

עמידות חומר הבסיס אינה מבטיחה את אותה עמידות של כל המבנה המוגמר. תהליך הריתוך יכול לגרום לשינויים מיקרו-מבניים, שינוי צבע תרמי ושינויים מקומיים בהרכב שכבת פני השטח.
שינוי צבע בריתוך וזיהום פני השטח יכולים להפחית את העמידות בפני קורוזיה מקומית. לכן, במבני נירוסטה תובעניים, פרמטרי ריתוך מתאימים, חומר מילוי מתאים וניקוי נאות של פני השטח לאחר הריתוך הם חיוניים, כולל הסרת שינוי צבע ושיקום מצב פני השטח התקין.

כיצד ניתן להפחית את הסיכון לקורוזיה ימית?

הגנה על מבנים מפני קורוזיה בסביבה ימית לא צריכה להסתמך אך ורק על שימוש בחומרים מסגסוגות גבוהות יותר. תכנון ותפעול נכונים של המתקן חשובים באותה מידה.

• בחר את החומר בהתאם לסוג החשיפה בפועל, ולא רק בהתאם למונח "סביבה ימית",
• להגביל סדקים ומקומות בהם מצטברים משקעים,
• הימנעו מחיבורים גלווניים לא רצויים של מתכות שונות,
• להבטיח ביצוע וניקוי נאותים של מפרקים,
• לשלוט בזרימה ולהפחית קיפאון מים לטווח ארוך,
• יש לקחת בחשבון את הטמפרטורה ושיטת הכלור של המים,
• לשלוט בהתפתחות ביופילם ומשקעים,
• להשתמש בציפויים מגנים או בהגנה קתודית במבנים מתאימים,
• יש לקחת בחשבון את האפשרות של ריכוז כלוריד עקב אידוי, ייבוש או היווצרות משקעים.

כיצד לבחור חומר לסביבה הימית?

בחירת החומרים צריכה להתחיל בקביעת תנאי ההפעלה בפועל: האם הרכיב יהיה באטמוספרה ימית, אזור התזה, אזור בין גאות ושפל, או שקוע לצמיתות. לאחר מכן, יש לקחת בחשבון טמפרטורה, זרימה, חמצון, כלור, פוטנציאל להיווצרות ביופילם וזיהום, נוכחות סדקים ומגע עם חומרים אחרים.
רק על בסיס זה ניתן להשוות סוגי פלדה זמינים. PREN יכול להיות שימושי כאינדיקטור ראשון לעמידות בפני קורוזיה נקודתית, בעוד ש-CPT ו-CCT מספקים מידע נוסף על עמידות החומר בפני תחילת קורוזיה מקומית בתנאי בדיקה ספציפיים.
עבור מבנים ימיים קריטיים, בחירת החומרים צריכה להתבסס בנוסף על נתוני בדיקות קורוזיה, ניסיון תפעולי, דרישות של תקנים רלוונטיים ותנאי התקנה ספציפיים.

קורוזיה ימית היא תוצאה של אינטראקציה בו-זמנית של גורמים מרובים: כלורידים, חמצן, טמפרטורה, זרימה, ביופילם, משקעים, גיאומטריה מבנית ומגע של חומרים שונים. בתנאים כאלה, יכולות להתפתח צורות שונות של קורוזיה, בעיקר קורוזיה של גומות, קורוזיה של חריצים, קורוזיה גלוונית וקורוזיה מיקרוביאלית (MIC).
אין דרגה אחת של פלדת אל-חלד המתאימה לכל היישומים הימיים. 316L עשויה להתאים לסביבות ימיות רבות, אך היא עלולה להיות רגישה לקורוזיה מקומית כאשר היא שקועה ברציפות במי ים. עבור יישומים תובעניים יותר, משתמשים בפלדות דופלקס, סופר-דופלקס, פלדות אוסטניטיות 6Mo בעלות סגסוגת גבוהה וסגסוגות ניקל שנבחרו כראוי.
הבסיס לבחירה הנכונה הוא ניתוח של המערכת כולה: חומר – מי ים – טמפרטורה – זרימה – בנייה – מצב פני השטח – שיטת פעולה.

סוגי קורוזיה של פלדה ומתכות

קורוזיה אחידה של פלדה ומתכות
קורוזיה נקודתית של פלדות אל חלד
קורוזיה של חריצים בפלדות אל חלד
קורוזיה בין-גרגירית של נירוסטה
פיצוח קורוזיה מתמשכת (SCC)
קורוזיה גלוונית
קורוזיה ארוזית
קורוזיה קוויטציה
עייפות קורוזיה
קורוזיה סדיקה
קורוזיה מיקרוביולוגית MIC
קורוזיה בטמפרטורה גבוהה

חלוקת קורוזיה לפי סביבה

קורוזיה ימית - קורוזיה של פלדה ומתכות במי ים
קורוזיה אטמוספרית
קורוזיה קרקעית
קורוזיה במים מתוקים ותעשייתיים
קורוזיה בסביבות כלוריד
קורוזיה בסביבות חומציות
קורוזיה בסביבות אלקליות
קורוזיה בגזים ובגזי פליטה
קורוזיה בביוב ובמערכות ביוב
קורוזיה בסביבות כימיות ופטרוכימיות

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