Korozja atmosferyczna – korozja metali i stali w środowisku atmosferycznym

Korozja atmosferyczna jest procesem niszczenia metali i stopów zachodzącym pod wpływem atmosfery oraz cienkiej warstwy wilgoci powstającej na powierzchni materiału. W przeciwieństwie do korozji elementów stale zanurzonych w wodzie elektrolitem jest tutaj przede wszystkim wilgoć pochodząca z deszczu, kondensacji, mgły lub wysokiej wilgotności powietrza. Agresywność atmosfery zależy między innymi od czasu zwilżenia powierzchni, temperatury, wilgotności, obecności chlorków, związków siarki i innych zanieczyszczeń oraz warunków lokalnych.

Korozja atmosferyczna może dotyczyć stali węglowych, stali nierdzewnych, aluminium, miedzi, cynku oraz wielu innych metali. Jej przebieg i szybkość mogą jednak znacznie różnić się w zależności od materiału. Stal węglowa może ulegać stosunkowo równomiernemu rdzewieniu powierzchni, podczas gdy w przypadku stali nierdzewnej większego znaczenia nabierają lokalne uszkodzenia warstwy pasywnej, przebarwienia, korozja wżerowa i szczelinowa.

Jak powstaje korozja atmosferyczna?

Do przebiegu elektrochemicznej korozji metalu potrzebny jest elektrolit. W warunkach atmosferycznych może nim być bardzo cienka, czasami niewidoczna warstwa wody znajdująca się na powierzchni. Powstaje ona wskutek opadów, mgły, rosy, kondensacji pary wodnej lub wysokiej wilgotności względnej.

W warstwie wilgoci rozpuszczają się sole i zanieczyszczenia znajdujące się na powierzchni lub obecne w atmosferze. Zwiększa to przewodność elektrolitu i umożliwia przebieg reakcji anodowych i katodowych. Powstają lokalne ogniwa elektrochemiczne, których działanie prowadzi do utleniania metalu.

Po wyschnięciu powierzchni proces elektrochemiczny może zostać znacznie ograniczony, jednak znajdujące się na niej sole pozostają. Przy kolejnym zwilżeniu ponownie tworzą elektrolit. Dlatego wielokrotne cykle zwilżania i wysychania mają duże znaczenie dla rozwoju korozji atmosferycznej.

Najważniejsze czynniki wpływające na korozję atmosferyczną

Rodzaje atmosfer korozyjnych

Warunki atmosferyczne mogą znacznie różnić się agresywnością. Atmosfera wiejska o niewielkiej zawartości zanieczyszczeń jest zazwyczaj mniej agresywna niż atmosfera przemysłowa lub nadmorska. Nie należy jednak klasyfikować środowiska wyłącznie na podstawie jego nazwy. O rzeczywistej korozyjności decydują mierzalne warunki ekspozycji oraz reakcja konkretnego materiału.

Atmosfera wiejska

Charakteryzuje się zazwyczaj stosunkowo małą zawartością agresywnych zanieczyszczeń i niewielką depozycją chlorków. Nie oznacza to braku korozji – elementy ze stali węglowej nadal mogą korodować pod wpływem wilgoci i tlenu – jednak warunki są zwykle łagodniejsze niż w silnie zanieczyszczonych lub zasolonych lokalizacjach.

Atmosfera miejska i przemysłowa

W środowiskach miejskich i przemysłowych na powierzchni metalu mogą osadzać się pyły i zanieczyszczenia chemiczne. Historycznie szczególnie duże znaczenie dla klasyfikacji korozyjności atmosfer miało stężenie i depozycja dwutlenku siarki SO₂. Współczesna agresywność konkretnej lokalizacji zależy jednak od rzeczywistego poziomu zanieczyszczeń i nie powinna być określana wyłącznie jako „miejska” lub „przemysłowa”.

Atmosfera morska

Atmosfera nadmorska zawiera aerozol morski przenoszący sole, przede wszystkim chlorki. Osadzające się na powierzchni chlorki są higroskopijne i mogą sprzyjać dłuższemu utrzymywaniu się wilgoci oraz zwiększać przewodność cienkiej warstwy elektrolitu. Dla stali nierdzewnych szczególne znaczenie ma możliwość lokalnego uszkodzenia warstwy pasywnej i rozwoju korozji wżerowej lub szczelinowej.

Klasy korozyjności atmosfery C1–CX według ISO 9223

Do klasyfikowania korozyjności atmosfer stosowana jest norma ISO 9223. Wyróżnia ona sześć podstawowych kategorii korozyjności: C1, C2, C3, C4, C5 oraz CX. Klasyfikacja może być oparta między innymi na szybkości korozji materiałów referencyjnych podczas pierwszego roku ekspozycji. Norma wykorzystuje również parametry środowiskowe związane z czasem zwilżenia oraz depozycją dwutlenku siarki i chlorków.

Kategorie C1–CX opisują korozyjność atmosfery i nie są prostą skalą „odporności stali nierdzewnej”. Klasyfikacja według ISO 9223 wykorzystuje materiały referencyjne, między innymi stal węglową, cynk, miedź i aluminium. Dobór konkretnego gatunku stali nierdzewnej wymaga dodatkowej oceny warunków ekspozycji, zwłaszcza depozycji chlorków, możliwości naturalnego spłukiwania powierzchni i jakości wykończenia.

Korozja atmosferyczna stali węglowej

Na niezabezpieczonej stali węglowej w obecności wilgoci i tlenu powstają produkty korozji określane potocznie jako rdza. Warstwa produktów korozji zwykłej stali konstrukcyjnej zazwyczaj nie zapewnia trwałej ochrony przed dalszym procesem. W wyniku kolejnych cykli zwilżania i wysychania następuje dalszy ubytek materiału.
Szybkość korozji zależy od warunków atmosferycznych. Obecność chlorków i określonych zanieczyszczeń może znacząco zwiększać agresywność środowiska. Z tego powodu konstrukcje ze stali węglowej eksploatowane na zewnątrz są często chronione systemami malarskimi, powłokami metalicznymi, cynkowaniem lub innymi metodami ochrony odpowiednimi do przewidywanej kategorii korozyjności.

Korozja atmosferyczna stali nierdzewnej

Stale nierdzewne są chronione bardzo cienką warstwą pasywną bogatą w związki chromu. W wielu warunkach atmosferycznych zapewnia ona bardzo wysoką odporność na korozję. Nie oznacza to jednak całkowitej niewrażliwości na środowisko.
Chlorki, osady, zabrudzenia i długotrwale utrzymująca się wilgoć mogą tworzyć lokalne warunki umożliwiające uszkodzenie warstwy pasywnej. Szczególnie podatne mogą być powierzchnie osłonięte przed deszczem, na których sole są regularnie nanoszone, ale nie są naturalnie spłukiwane.
W takich miejscach mogą pojawiać się przebarwienia powierzchni, osady produktów korozji, wżery lub korozja szczelinowa. Z tego powodu przy projektowaniu elementów ze stali nierdzewnej znaczenie ma nie tylko gatunek materiału, ale również geometria konstrukcji, wykończenie powierzchni i możliwość jej okresowego czyszczenia.

304 czy 316L w atmosferze zewnętrznej?

Stale typu 304, w tym 1.4301 i 1.4307, są szeroko stosowane w warunkach atmosferycznych o stosunkowo niewielkim obciążeniu chlorkami. Stale typu 316, w tym 1.4401 i 1.4404, zawierają molibden, który zwiększa odporność na korozję lokalną w środowiskach chlorkowych.
Dlatego 316L jest często preferowana w atmosferze nadmorskiej oraz w lokalizacjach narażonych na działanie soli. Nie oznacza to jednak, że każda konstrukcja nad morzem wymaga 316L ani że 316L będzie odporna niezależnie od poziomu depozycji chlorków. Przy bardzo dużym obciążeniu solą, wysokiej wilgotności, braku naturalnego spłukiwania i niekorzystnej geometrii mogą być wymagane bardziej odporne gatunki lub regularne czyszczenie powierzchni.

Wpływ chlorków na stal nierdzewną w atmosferze

Chlorki docierają do powierzchni między innymi z aerozolem morskim, solą drogową oraz określonymi procesami przemysłowymi. Po odparowaniu wody mogą pozostawać na powierzchni i ulegać koncentracji.
W obecności odpowiedniej ilości wilgoci powstaje cienka warstwa elektrolitu zawierająca chlorki. Jeżeli lokalne warunki przekroczą odporność warstwy pasywnej danego materiału, może dojść do inicjacji korozji wżerowej. Szczeliny, osady i miejsca o utrudnionym spłukiwaniu dodatkowo zwiększają ryzyko korozji lokalnej.

Dlaczego powierzchnie osłonięte mogą korodować bardziej?

Może wydawać się, że element znajdujący się pod zadaszeniem powinien być lepiej chroniony przed korozją. W atmosferze zawierającej sole sytuacja może być odwrotna. Deszcz usuwa część chlorków i innych osadów z powierzchni wystawionych bezpośrednio na opady.
Powierzchnie osłonięte przed deszczem mogą natomiast przez długi czas gromadzić sole. Wilgoć atmosferyczna, mgła lub kondensacja mogą następnie rozpuszczać nagromadzone osady i tworzyć bardzo agresywny lokalny elektrolit. Dlatego elementy osłonięte, spody balustrad, wnętrza profili, zakładki i inne trudno dostępne miejsca wymagają szczególnej uwagi.

Wpływ odległości od morza

Wraz z przemieszczaniem aerozolu morskiego w głąb lądu jego oddziaływanie zazwyczaj maleje, ale nie istnieje jedna uniwersalna odległość od linii brzegowej, po przekroczeniu której można uznać atmosferę za wolną od wpływu chlorków. Transport soli zależy od kierunku i prędkości wiatru, ukształtowania terenu, wysokości konstrukcji, falowania, lokalnej zabudowy oraz warunków klimatycznych.
Dlatego przy doborze materiału lepiej posługiwać się rzeczywistą ekspozycją na chlorki i doświadczeniami z danej lokalizacji niż prostą odległością wyrażoną w kilometrach.

Wpływ wykończenia powierzchni stali nierdzewnej

Stan powierzchni ma istotny wpływ na zachowanie stali nierdzewnej w atmosferze. Powierzchnie gładkie łatwiej ulegają naturalnemu spłukiwaniu i zwykle zatrzymują mniej zanieczyszczeń niż powierzchnie bardzo chropowate.
Zanieczyszczenia żelazem powstałe podczas obróbki, pozostałości po szlifowaniu, przebarwienia spawalnicze oraz inne defekty powierzchni mogą lokalnie pogarszać odporność korozyjną. Narzędzia używane do obróbki zwykłej stali węglowej nie powinny zanieczyszczać powierzchni stali nierdzewnej.
Po spawaniu w wymagających zastosowaniach konieczne może być odpowiednie oczyszczenie powierzchni i usunięcie przebarwień cieplnych. Szczególnego znaczenia nabiera to w środowisku nadmorskim i innych atmosferach zawierających chlorki.

Korozja galwaniczna w atmosferze

Korozja galwaniczna może wystąpić również w warunkach atmosferycznych, jeżeli dwa różne metale pozostają w kontakcie elektrycznym, a ich powierzchnie są połączone warstwą wilgoci pełniącą funkcję elektrolitu.
Ryzyko wzrasta w atmosferach o dużej wilgotności i zawartości soli, ponieważ warstwa elektrolitu ma wówczas większą przewodność. Istotny jest również stosunek powierzchni połączonych materiałów. Niewielka powierzchnia materiału anodowego połączona z dużą powierzchnią materiału bardziej szlachetnego może prowadzić do dużej gęstości prądu anodowego i intensywnej lokalnej korozji.

Dobór stali nierdzewnej do atmosfery

Tabela ma charakter ogólny. Nie należy dobierać gatunku wyłącznie na podstawie nazwy środowiska. Istotne są rzeczywista depozycja chlorków, wilgotność, możliwość spłukiwania powierzchni, temperatura, geometria konstrukcji, stan powierzchni oraz wymagania dotyczące wyglądu i trwałości.

Jak ograniczyć korozję atmosferyczną?

Skuteczna ochrona wymaga połączenia właściwego doboru materiału z odpowiednim projektowaniem i utrzymaniem konstrukcji.

• dobierać materiał do rzeczywistej kategorii i charakteru środowiska,
• projektować elementy tak, aby woda mogła swobodnie odpływać,
• ograniczać szczeliny, zakładki i miejsca gromadzenia osadów,
• unikać niekorzystnych połączeń galwanicznych,
• zapewnić właściwe wykończenie powierzchni stali nierdzewnej,
• usuwać przebarwienia spawalnicze i zanieczyszczenia po obróbce,
• w środowiskach zawierających sól okresowo usuwać osady z powierzchni,
• dla stali węglowych stosować odpowiednio dobrane systemy ochrony powierzchniowej,
• uwzględniać możliwość gromadzenia chlorków na powierzchniach osłoniętych przed deszczem.

Korozja atmosferyczna a korozja morska

Korozja atmosferyczna i korozja morska częściowo się przenikają, ale nie są pojęciami identycznymi. Korozja atmosferyczna dotyczy elementów wystawionych na działanie atmosfery i wilgoci powierzchniowej. Korozja morska obejmuje szerzej oddziaływanie środowiska morskiego, w tym atmosferę nadmorską, strefę rozbryzgu, pływów oraz bezpośrednie zanurzenie w wodzie morskiej.
Element znajdujący się nad powierzchnią morza może więc podlegać jednocześnie klasyfikacji jako konstrukcja narażona na korozję atmosferyczną oraz jako element pracujący w środowisku morskim. W praktyce decydujące znaczenie ma charakter ekspozycji i ilość soli docierającej do powierzchni.

Korozja atmosferyczna jest wynikiem oddziaływania wilgoci, tlenu, soli i zanieczyszczeń na powierzchnię metalu. Jej intensywność zależy przede wszystkim od czasu zwilżenia, depozycji chlorków i zanieczyszczeń, temperatury, konstrukcji elementu oraz właściwości materiału.
Norma ISO 9223 klasyfikuje korozyjność atmosfer od C1 do CX, jednak sama kategoria środowiska nie zastępuje prawidłowego doboru materiału. W przypadku stali nierdzewnych szczególne znaczenie mają chlorki, stan powierzchni, możliwość naturalnego spłukiwania oraz występowanie szczelin i osadów.
O trwałości konstrukcji decyduje więc cały układ: materiał – atmosfera – wilgotność – chlorki i zanieczyszczenia – konstrukcja – stan powierzchni – sposób eksploatacji.

Rodzaje korozji stali i metali

Korozja równomierna stali i metali
Korozja wżerowa stali nierdzewnych
Korozja szczelinowa stali nierdzewnych
Korozja międzykrystaliczna stali nierdzewnej
Korozja naprężeniowa SCC
Korozja galwaniczna
Korozja erozyjna
Korozja kawitacyjna
Korozja zmęczeniowa
Korozja cierna
Korozja mikrobiologiczna MIC
Korozja wysokotemperaturowa

Podział korozji ze względu na środowisko

Korozja morska – korozja stali i metali w wodzie morskiej
Korozja atmosferyczna
Korozja gruntowa
Korozja w wodzie słodkiej i przemysłowej
Korozja w środowiskach chlorkowych
Korozja w środowiskach kwaśnych
Korozja w środowiskach alkalicznych
Korozja w gazach i spalinach
Korozja w ściekach i instalacjach kanalizacyjnych
Korozja w środowiskach chemicznych i petrochemicznych

Tematy powiązane

CPT – krytyczna temperatura korozji wżerowej stali nierdzewnych i stopów niklu
PREN – wskaźnik odporności na korozję wżerową stali nierdzewnej
CCT – krytyczna temperatura korozji szczelinowej stali nierdzewnych i stopów niklu