Korozja gruntowa – korozja metali i stali w gruncie

Korozja gruntowa jest procesem niszczenia metali i stopów pozostających w bezpośrednim kontakcie z gruntem. Dotyczy między innymi podziemnych rurociągów, zbiorników, pali fundamentowych, konstrukcji stalowych, instalacji wodnych i gazowych, uziemień oraz innych elementów infrastruktury podziemnej. Grunt jest środowiskiem szczególnie złożonym, ponieważ jego właściwości chemiczne, fizyczne i biologiczne mogą zmieniać się nawet na niewielkich odległościach.
O agresywności korozyjnej gruntu decydują między innymi wilgotność, rezystywność, zawartość rozpuszczonych soli, pH, dostęp tlenu, przepuszczalność, skład mineralny, obecność mikroorganizmów oraz prądów błądzących. Istotna jest również niejednorodność gruntu. Ten sam element może przebiegać przez warstwy o różnych właściwościach, co sprzyja powstawaniu lokalnych ogniw korozyjnych.

Dlaczego metale korodują w gruncie?

Wilgotny grunt może pełnić funkcję elektrolitu umożliwiającego przebieg reakcji elektrochemicznych. Na powierzchni zakopanego metalu mogą powstawać obszary anodowe i katodowe. W obszarach anodowych zachodzi utlenianie metalu i jego stopniowy ubytek, natomiast reakcje katodowe zachodzą w innych częściach powierzchni.
Rozkład obszarów anodowych i katodowych zależy od lokalnych warunków. Różnice wilgotności, natlenienia, zasolenia, pH i składu gruntu mogą powodować, że poszczególne fragmenty tej samej konstrukcji zachowują się elektrochemicznie inaczej. W rezultacie korozja gruntowa może mieć charakter zarówno stosunkowo równomierny, jak i silnie lokalny.

Najważniejsze czynniki wpływające na korozję gruntową

Rezystywność gruntu a ryzyko korozji

Rezystywność gruntu jest jednym z najczęściej wykorzystywanych parametrów podczas oceny środowiska podziemnego. Określa zdolność gruntu do przeciwstawiania się przepływowi prądu elektrycznego. Grunty zawierające dużo wilgoci i rozpuszczonych soli mają zazwyczaj niższą rezystywność niż grunty suche i piaszczyste.
Niska rezystywność może sprzyjać przepływowi prądów korozyjnych i dlatego jest sygnałem podwyższonego potencjalnego zagrożenia. Nie należy jednak oceniać korozyjności gruntu wyłącznie na podstawie jednej wartości rezystywności. Konieczne jest uwzględnienie również wilgotności, pH, składu jonowego, natlenienia, mikroorganizmów oraz obecności prądów błądzących.

Wilgotność gruntu

Woda znajdująca się w porach gruntu umożliwia transport jonów i powstawanie elektrolitu na powierzchni metalu. Zawartość wilgoci ma więc podstawowe znaczenie dla przebiegu korozji elektrochemicznej.
Zależność pomiędzy wilgotnością a szybkością korozji nie jest jednak liniowa. W bardzo suchym gruncie przewodnictwo jonowe jest niewielkie. Wraz ze wzrostem wilgotności przewodnictwo zazwyczaj rośnie. Przy bardzo wysokim stopniu nasycenia wodą może natomiast zmniejszyć się dostęp tlenu do powierzchni. Ostateczny przebieg korozji zależy więc od równowagi pomiędzy przewodnictwem elektrolitu i transportem reagentów.

Ogniwa różnicowego napowietrzenia

Jednym z charakterystycznych zjawisk występujących w gruncie jest powstawanie ogniw wynikających z różnego dostępu tlenu do poszczególnych części powierzchni metalu. Fragment znajdujący się w dobrze napowietrzonym, przepuszczalnym gruncie może mieć inne warunki elektrochemiczne niż część znajdująca się w glebie zwartej, mokrej lub przykrytej osadem.
Takie różnice mogą prowadzić do rozdzielenia obszarów anodowych i katodowych na stosunkowo dużych odległościach. W rezultacie intensywny ubytek materiału może koncentrować się w określonej części konstrukcji, mimo że cały element został wykonany z tego samego materiału.

Wpływ pH gruntu

Odczyn gruntu wpływa na przebieg reakcji elektrochemicznych oraz stabilność produktów korozji. W przypadku stali węglowych silnie kwaśne środowisko może zwiększać szybkość korozji. Zachowanie stali nierdzewnych zależy dodatkowo od stabilności ich warstwy pasywnej oraz obecności jonów agresywnych, przede wszystkim chlorków.
Samo pH nie wystarcza jednak do określenia agresywności gruntu. Dwa grunty o podobnym pH mogą różnić się rezystywnością, zawartością chlorków, siarczanów, wilgotnością i natlenieniem, a w konsekwencji powodować zupełnie inną szybkość i charakter korozji.

Chlorki i sole rozpuszczone w gruncie

Rozpuszczone sole zwiększają przewodność wody znajdującej się w porach gruntu. Szczególne znaczenie mają chlorki, które w przypadku stali nierdzewnych mogą również destabilizować warstwę pasywną i zwiększać ryzyko korozji wżerowej oraz szczelinowej.
Źródłem chlorków mogą być naturalne składniki gruntu, wody gruntowe, środowisko nadmorskie, działalność przemysłowa oraz stosowanie soli odladzających. Lokalne nagromadzenie soli może prowadzić do powstawania środowiska znacznie bardziej agresywnego niż wynikałoby to z ogólnej charakterystyki terenu.

Korozja mikrobiologiczna MIC w gruncie

Grunt jest środowiskiem biologicznie aktywnym. Mikroorganizmy mogą tworzyć biofilm i zmieniać lokalne warunki chemiczne oraz elektrochemiczne na powierzchni metalu. Proces ten określany jest jako korozja mikrobiologiczna MIC – Microbiologically Influenced Corrosion.
W środowiskach o ograniczonym dostępie tlenu znaczenie mogą mieć między innymi mikroorganizmy związane z przemianami związków siarki. MIC nie należy jednak sprowadzać wyłącznie do działania jednej grupy bakterii. W rzeczywistym środowisku w procesach korozyjnych mogą uczestniczyć złożone społeczności mikroorganizmów, a ich wpływ zależy od warunków chemicznych i biologicznych.
Korozja mikrobiologiczna może mieć charakter silnie lokalny i prowadzić do głębokich ubytków materiału, dlatego jest istotnym zagrożeniem dla rurociągów, zbiorników oraz innych konstrukcji podziemnych.

Prądy błądzące i korozja elektrolityczna konstrukcji podziemnych

Prądy błądzące są prądami elektrycznymi przepływającymi drogami innymi niż przewidziany obwód elektryczny. Mogą pojawiać się między innymi w pobliżu systemów trakcji prądu stałego, instalacji przemysłowych oraz systemów ochrony katodowej innych konstrukcji.
Jeżeli prąd stały wpływa do metalowej konstrukcji podziemnej, a następnie w innym miejscu wypływa z niej do gruntu, obszar wypływu prądu może stać się miejscem intensywnego rozpuszczania anodowego metalu. Powstające uszkodzenia mogą być bardzo silnie zlokalizowane.
Ocena zagrożenia prądami błądzącymi wymaga pomiarów elektrycznych i elektrochemicznych. Szczególne znaczenie ma monitoring potencjałów konstrukcji oraz współpraca systemów ochrony katodowej znajdujących się w tej samej strefie oddziaływania.

Korozja rurociągów podziemnych

Rurociągi są szczególnie narażone na korozję gruntową ze względu na dużą długość i możliwość przebiegania przez grunty o bardzo różnych właściwościach. Na jednym odcinku mogą występować gleby suche i piaszczyste, a na innym mokre grunty gliniaste, obszary zasolone lub miejsca o ograniczonym dostępie tlenu.
Podstawową ochronę stalowych rurociągów stanowi zwykle odpowiednio dobrana powłoka izolacyjna ograniczająca kontakt powierzchni metalu z elektrolitem. W przypadku wielu krytycznych konstrukcji podziemnych powłoki współpracują z ochroną katodową.
Uszkodzenia powłoki mają szczególne znaczenie, ponieważ odsłaniają niewielkie fragmenty powierzchni metalu. System ochrony powinien być projektowany i monitorowany w taki sposób, aby uwzględniał stan powłoki, właściwości gruntu oraz możliwe oddziaływanie innych instalacji.

Ochrona katodowa konstrukcji w gruncie

Ochrona katodowa polega na takim sterowaniu potencjałem chronionej konstrukcji, aby ograniczyć jej rozpuszczanie anodowe. Stosuje się dwa podstawowe rozwiązania: ochronę za pomocą anod galwanicznych oraz systemy z zewnętrznym źródłem prądu, określane jako ICCP – Impressed Current Cathodic Protection.

Ochrona katodowa nie polega na ustawieniu jednego uniwersalnego potencjału dla wszystkich konstrukcji. Kryteria ochrony zależą między innymi od materiału, rodzaju konstrukcji, środowiska i stosowanej normy. Nieprawidłowo zaprojektowany system może być nieskuteczny lub prowadzić do niepożądanych oddziaływań na sąsiednie instalacje.

Powłoki ochronne w gruncie

Powłoka ochronna tworzy barierę pomiędzy metalem a wilgotnym gruntem. W przypadku konstrukcji podziemnych stosuje się między innymi systemy epoksydowe, polietylenowe, polipropylenowe oraz inne rozwiązania dostosowane do rodzaju konstrukcji i warunków eksploatacji.
Żadnej powłoki nie należy jednak traktować jako bariery absolutnie pozbawionej defektów przez cały okres eksploatacji. Uszkodzenia mogą powstawać podczas transportu, montażu, zasypywania wykopu lub późniejszej pracy konstrukcji. Z tego powodu w wielu instalacjach powłoka i ochrona katodowa są elementami jednego systemu zabezpieczenia przeciwkorozyjnego.

Stal nierdzewna w gruncie

Stale nierdzewne mogą wykazywać bardzo dobrą odporność w wielu warunkach gruntowych, ale ich zachowanie zależy od możliwości utrzymania warstwy pasywnej. Szczególnie niekorzystne mogą być grunty zawierające duże ilości chlorków, miejsca o ograniczonym dostępie tlenu, szczeliny, osady oraz środowiska sprzyjające MIC.
Zakopanie elementu wykonanego ze stali nierdzewnej nie oznacza więc automatycznie pełnej odporności na korozję. W agresywnych warunkach gruntowych może wystąpić korozja lokalna, a dobór gatunku powinien uwzględniać skład gruntu i wód gruntowych, temperaturę, możliwość powstawania szczelin oraz warunki biologiczne.

Dobór materiału do pracy w gruncie

Tabela przedstawia jedynie ogólną charakterystykę materiałów. Nie istnieje uniwersalny gatunek odpowiedni do wszystkich gruntów. Właściwy dobór wymaga znajomości parametrów środowiska oraz warunków konstrukcyjnych.

Jak bada się agresywność korozyjną gruntu?

Ocena środowiska gruntowego może obejmować pomiar rezystywności, pH, wilgotności oraz analizę zawartości chlorków, siarczanów i innych składników rozpuszczalnych. W zależności od rodzaju konstrukcji wykonuje się również pomiary potencjałów elektrochemicznych, badania obecności prądów błądzących oraz ocenę warunków sprzyjających aktywności mikrobiologicznej.
W przypadku długich konstrukcji liniowych pojedyncza próbka gruntu może nie być reprezentatywna. Warunki powinny być oceniane w wielu punktach, szczególnie w miejscach zmiany rodzaju gruntu, wilgotności, zasolenia, sąsiedztwa instalacji elektrycznych oraz innych potencjalnych źródeł oddziaływania korozyjnego.

Jak ograniczyć korozję gruntową?

• rozpoznać właściwości gruntu przed doborem materiału i systemu ochrony,
• stosować właściwie dobrane powłoki ochronne,
• w wymagających instalacjach stosować prawidłowo zaprojektowaną ochronę katodową,
• kontrolować jakość i ciągłość powłoki przed zasypaniem konstrukcji,
• monitorować potencjały konstrukcji oraz działanie systemu ochrony katodowej,
• uwzględniać obecność prądów błądzących i sąsiednich instalacji,
• analizować ryzyko MIC w środowiskach sprzyjających aktywności mikrobiologicznej,
• unikać niekorzystnych połączeń różnych metali,
• uwzględniać zmiany właściwości gruntu na całej długości konstrukcji.

Korozja gruntowa a korozja atmosferyczna

Korozja gruntowa i atmosferyczna są procesami elektrochemicznymi, ale warunki transportu tlenu, wilgoci i jonów są w obu środowiskach odmienne. W atmosferze powierzchnia przechodzi zwykle cykle zwilżania i wysychania, natomiast w gruncie metal pozostaje w kontakcie z wodą zawartą w porach gleby, której skład i dostęp tlenu mogą silnie zmieniać się lokalnie.
Szczególnie interesujące są miejsca przejścia konstrukcji przez granicę grunt–atmosfera. Zmieniające się warunki wilgotności, natlenienia i zanieczyszczenia mogą powodować powstawanie lokalnych ogniw korozyjnych, dlatego strefy przejściowe wymagają odpowiedniego zabezpieczenia.

Korozja gruntowa jest złożonym procesem zależnym od jednoczesnego oddziaływania wilgotności, rezystywności, pH, soli, tlenu, mikroorganizmów, prądów błądzących oraz niejednorodności gruntu. Z tego powodu nie można określić agresywności środowiska podziemnego na podstawie jednego parametru.
W przypadku konstrukcji ze stali węglowej podstawą ochrony są odpowiednio dobrane powłoki oraz, w wielu zastosowaniach, ochrona katodowa. Stale nierdzewne zapewniają wyższą odporność w wielu warunkach, lecz również mogą ulegać korozji lokalnej w obecności chlorków, szczelin, osadów i niekorzystnych warunków biologicznych.
Prawidłowa ochrona konstrukcji podziemnej wymaga analizy całego układu: materiał – grunt – woda gruntowa – powłoka – ochrona katodowa – prądy błądzące – warunki 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