Korozja w różnych środowiskach – korozja środowiskowa metali i stali

Korozja środowiskowa obejmuje procesy niszczenia metali i stopów zachodzące pod wpływem warunków otoczenia, takich jak atmosfera, woda morska, woda słodka, grunt oraz środowiska chlorkowe, kwaśne i alkaliczne. Korozja metali zależy nie tylko od rodzaju materiału, lecz również od środowiska, w którym materiał pracuje. Ten sam gatunek stali może przez wiele lat zachowywać wysoką odporność w łagodnych warunkach atmosferycznych, a w środowisku zawierającym chlorki, kwasy, podwyższoną temperaturę lub osady ulec intensywnej korozji lokalnej albo ogólnej. Środowisko korozyjne decyduje między innymi o stabilności warstwy pasywnej stali nierdzewnej, szybkości reakcji elektrochemicznych oraz możliwości powstawania korozji wżerowej, szczelinowej, galwanicznej, mikrobiologicznej MIC czy korozji naprężeniowej SCC. Dlatego prawidłowy dobór materiału wymaga analizy nie tylko gatunku stali i jego składu chemicznego, ale również rzeczywistych warunków eksploatacji.

Środowisko korozyjne a mechanizm korozji

Określenia takie jak korozja morska, atmosferyczna, gruntowa czy korozja w wodzie opisują przede wszystkim środowisko występowania korozji. Nie należy ich utożsamiać z mechanizmami lub formami zniszczenia, takimi jak korozja wżerowa, szczelinowa, galwaniczna czy międzykrystaliczna.
W jednym środowisku może jednocześnie występować kilka mechanizmów korozji. Przykładowo w wodzie morskiej obecność chlorków może sprzyjać korozji wżerowej i szczelinowej stali nierdzewnych, kontakt różnych metali może powodować korozję galwaniczną, biofilm może uczestniczyć w rozwoju korozji mikrobiologicznej MIC, a odpowiednie połączenie naprężeń, temperatury i środowiska chlorkowego może prowadzić do korozji naprężeniowej SCC.

Korozja w środowisku morskim

Środowisko morskie należy do najbardziej wymagających środowisk eksploatacyjnych dla wielu materiałów konstrukcyjnych. Woda morska zawiera znaczne ilości chlorków, które mogą destabilizować warstwę pasywną stali nierdzewnych i sprzyjać rozwojowi korozji wżerowej oraz szczelinowej.

Warunki korozyjne nie są jednak jednakowe w całej konstrukcji morskiej. Inaczej zachowuje się materiał stale zanurzony w wodzie, inaczej pracujący w strefie pływów, a jeszcze inaczej w strefie rozbryzgu lub atmosferze nadmorskiej. Znaczenie mają również temperatura, prędkość przepływu wody, natlenienie, biofilm, osady oraz kontakt z innymi metalami.
W bardziej wymagających zastosowaniach morskich zamiast standardowych stali austenitycznych stosuje się między innymi stale duplex i superduplex, wysokostopowe stale austenityczne typu 6Mo oraz odpowiednio dobrane stopy niklu.

Korozja atmosferyczna

Korozja atmosferyczna zachodzi na powierzchni metalu narażonego na działanie atmosfery i warstwy wilgoci tworzącej się na jego powierzchni. Intensywność procesu zależy przede wszystkim od czasu zwilżenia powierzchni, wilgotności, temperatury oraz obecności soli i zanieczyszczeń.
Atmosfera wiejska o niewielkiej zawartości zanieczyszczeń jest zazwyczaj znacznie mniej agresywna niż atmosfera przemysłowa lub nadmorska. W pobliżu morza aerozol solny dostarcza chlorków, natomiast w środowisku przemysłowym dodatkowe znaczenie mogą mieć związki siarki i inne zanieczyszczenia.
Osady kurzu, soli i innych zanieczyszczeń mogą zatrzymywać wilgoć oraz tworzyć lokalne warunki sprzyjające korozji. Dlatego stan powierzchni, konstrukcja umożliwiająca jej naturalne spłukiwanie oraz okresowe czyszczenie mogą mieć istotny wpływ na trwałość elementów.

Korozja gruntowa

Grunt jest środowiskiem bardzo złożonym i niejednorodnym. Na korozję elementów podziemnych wpływają między innymi wilgotność, skład chemiczny gleby, zawartość chlorków i siarczanów, pH, przewodność elektryczna, dostęp tlenu, aktywność mikroorganizmów oraz obecność prądów błądzących.
Niejednorodność gruntu może prowadzić do powstawania lokalnych różnic warunków elektrochemicznych na powierzchni tego samego elementu. Szczególną uwagę należy zwracać na rurociągi, zbiorniki, konstrukcje podziemne oraz miejsca przejścia elementu pomiędzy różnymi rodzajami gruntu.
W przypadku konstrukcji zakopanych w ziemi dobór materiału jest tylko jednym z elementów ochrony. W zależności od konstrukcji i warunków stosuje się również odpowiednie powłoki, ochronę katodową oraz kontrolę prądów błądzących.

Korozja w wodzie słodkiej i przemysłowej

Określenie „woda” nie opisuje jednego środowiska korozyjnego. Woda pitna, rzeczna, studzienna, chłodnicza, kotłowa i procesowa mogą znacznie różnić się składem chemicznym i agresywnością.
Do najważniejszych parametrów należą zawartość chlorków, pH, temperatura, natlenienie, twardość, przewodność, obecność osadów oraz stosowanych inhibitorów, biocydów i innych dodatków technologicznych. Istotne są również warunki przepływu. Zastój może sprzyjać powstawaniu osadów, biofilmu i lokalnych różnic natlenienia, natomiast bardzo duża prędkość przepływu w określonych warunkach może zwiększać ryzyko erozji i korozji erozyjnej.
W przypadku stali nierdzewnych szczególną uwagę należy zwracać na chlorki. Wraz ze wzrostem ich stężenia oraz temperatury zwiększa się ryzyko korozji lokalnej, a znaczenia nabierają odporność materiału na korozję wżerową i szczelinową oraz parametry takie jak PREN, CPT i CCT.

Korozja w środowiskach chlorkowych

Chlorki należą do najważniejszych czynników ograniczających zastosowanie stali nierdzewnych. Mogą lokalnie destabilizować warstwę pasywną i prowadzić do inicjacji korozji wżerowej oraz szczelinowej. W odpowiednich warunkach chlorki mogą również uczestniczyć w powstawaniu korozji naprężeniowej SCC.
Ryzyka nie można oceniać wyłącznie na podstawie stężenia chlorków. Bardzo istotna jest temperatura, pH, potencjał elektrochemiczny, obecność szczelin i osadów oraz stan powierzchni. Dlatego dopuszczalne stężenie chlorków dla danego gatunku nie jest jedną uniwersalną wartością obowiązującą w każdych warunkach.
Odporność stali nierdzewnych na korozję lokalną w środowiskach chlorkowych rośnie przede wszystkim wraz z odpowiednią zawartością chromu, molibdenu i azotu. Do wstępnego porównywania materiałów stosowany jest wskaźnik PREN, natomiast laboratoryjną odporność na inicjację korozji lokalnej można dodatkowo charakteryzować za pomocą CPT i CCT.

Korozja w środowiskach kwaśnych

Środowiska kwaśne mogą powodować intensywną korozję ogólną, jeżeli warstwa pasywna materiału nie jest stabilna w danych warunkach. Nie można jednak mówić o jednej uniwersalnej „odporności na kwasy”. Zachowanie materiału zależy od rodzaju kwasu, jego stężenia, temperatury, obecności tlenu i innych utleniaczy oraz zanieczyszczeń, w tym jonów chlorkowych.
Kwas siarkowy, solny, fosforowy, azotowy, octowy czy mrówkowy tworzą odmienne środowiska korozyjne. Materiał bardzo odporny na jeden z nich nie musi wykazywać podobnej odporności na inny. Szczególnie agresywny dla wielu stali nierdzewnych jest kwas solny, ponieważ łączy środowisko kwaśne z wysoką aktywnością chlorków.
Przy doborze materiału do pracy w kwasach konieczne jest więc uwzględnienie konkretnego układu: materiał – kwas – stężenie – temperatura – zanieczyszczenia. W praktyce wykorzystuje się między innymi wykresy izokorozyjne określające szybkość korozji w zależności od temperatury i stężenia danego medium.

Korozja w środowiskach alkalicznych

Wiele stali nierdzewnych wykazuje dobrą odporność w umiarkowanych środowiskach alkalicznych, jednak silnie stężone zasady, szczególnie przy podwyższonej temperaturze, mogą stanowić środowisko agresywne. Znaczenie mają rodzaj zasady, jej stężenie, temperatura oraz obecność dodatkowych zanieczyszczeń.

Przykładem jest wodorotlenek sodu NaOH stosowany w wielu procesach chemicznych. W zależności od stężenia i temperatury niewłaściwie dobrany materiał może być narażony na przyspieszoną korozję lub określone formy pękania korozyjnego. Podobnie jak w środowiskach kwaśnych, ocena odporności powinna dotyczyć konkretnych warunków procesu, a nie samego określenia „środowisko alkaliczne”.

Korozja w gazach i spalinach

Środowiska gazowe i spaliny mogą powodować korozję metali zarówno w obecności wilgoci i kondensatu, jak i w warunkach podwyższonej temperatury. O agresywności środowiska decydują między innymi temperatura, zawartość pary wodnej, tlenu, związków siarki, chloru i innych składników gazowych oraz możliwość ich kondensacji na powierzchni metalu. Szczególnie niebezpieczne mogą być strefy, w których temperatura powierzchni spada poniżej punktu rosy i powstaje kondensat zawierający rozpuszczone produkty spalania. W zależności od warunków może dochodzić do korozji ogólnej, lokalnej, kondensacyjnej oraz wysokotemperaturowej. Dobór materiału wymaga uwzględnienia zarówno składu gazu, jak i temperatury pracy oraz temperatury powierzchni elementu.

Korozja w ściekach i instalacjach kanalizacyjnych

Ścieki i instalacje kanalizacyjne tworzą złożone środowisko korozyjne, w którym jednocześnie mogą występować chlorki, siarczany, siarczki, związki organiczne, zmienne pH, osady oraz mikroorganizmy. Szczególne znaczenie ma możliwość rozwoju korozji mikrobiologicznej MIC oraz powstawania siarkowodoru H₂S w warunkach beztlenowych. W przestrzeniach nad ściekami H₂S może być utleniany w procesach biologicznych do związków prowadzących do powstawania silnie kwaśnego środowiska, co jest szczególnie istotnym problemem dla betonu i elementów metalowych infrastruktury kanalizacyjnej. Zastój medium, osady, biofilm i różnice natlenienia mogą dodatkowo sprzyjać korozji lokalnej. Dobór materiału powinien uwzględniać rzeczywisty skład ścieków, temperaturę, pH, chlorki, związki siarki, warunki przepływu i aktywność mikrobiologiczną.

Korozja w środowiskach chemicznych i petrochemicznych

Instalacje przemysłu chemicznego i petrochemicznego należą do najbardziej zróżnicowanych środowisk korozyjnych. Materiały mogą mieć kontakt z kwasami, zasadami, chlorkami, siarkowodorem H₂S, dwutlenkiem węgla CO₂, związkami siarki, rozpuszczalnikami, wodą procesową oraz mieszaninami wielu substancji chemicznych. Warunki te mogą prowadzić do korozji ogólnej i lokalnej, korozji naprężeniowej SCC, korozji pod osadami oraz innych mechanizmów zależnych od konkretnego procesu. O odporności materiału decydują nie tylko skład chemiczny medium, lecz również jego stężenie, temperatura, ciśnienie, zawartość wody, przepływ, zanieczyszczenia oraz naprężenia występujące w konstrukcji. W bardziej agresywnych środowiskach obok standardowych stali nierdzewnych stosuje się stale duplex i superduplex, wysokostopowe stale austenityczne oraz odpowiednio dobrane stopy niklu. Dobór materiału powinien być zawsze przeprowadzany dla rzeczywistych warunków procesu, ponieważ ogólne określenie „środowisko chemiczne” lub „petrochemiczne” nie pozwala samodzielnie ocenić ryzyka korozji.

Najważniejsze czynniki określające agresywność środowiska

Niezależnie od rodzaju środowiska istnieje kilka parametrów, które szczególnie silnie wpływają na przebieg procesów korozyjnych:

• temperatura – wzrost temperatury często przyspiesza reakcje elektrochemiczne i może obniżać odporność na korozję lokalną,
• pH – wpływa na stabilność warstwy pasywnej i przebieg reakcji elektrochemicznych,
• chlorki i inne halogenki – należą do najważniejszych czynników inicjujących korozję lokalną stali nierdzewnych,
• tlen i inne utleniacze – wpływają na potencjał elektrochemiczny oraz możliwość utrzymywania warstwy pasywnej,
• przepływ medium – może poprawiać wymianę masy, ale przy dużych prędkościach i obecności cząstek może również zwiększać ryzyko korozji erozyjnej,
• osady i szczeliny – tworzą lokalne środowiska różniące się od głównego medium i sprzyjają korozji szczelinowej,
• mikroorganizmy – biofilm i aktywność mikrobiologiczna mogą wpływać na lokalne warunki elektrochemiczne i rozwój MIC,
• kontakt różnych metali – w obecności elektrolitu może prowadzić do powstania ogniwa galwanicznego,
• naprężenia – w połączeniu z określonym środowiskiem mogą prowadzić do korozji naprężeniowej SCC.

Dobór materiału do środowiska korozyjnego

Nie istnieje jeden gatunek stali nierdzewnej najlepszy do wszystkich środowisk. Popularne stale 304L i 316L sprawdzają się w bardzo wielu zastosowaniach, ale ich odporność może być niewystarczająca w ciepłych środowiskach chlorkowych, wodzie morskiej, silnych kwasach lub konstrukcjach szczególnie narażonych na korozję szczelinową.

Wraz ze wzrostem agresywności środowiska stosuje się między innymi stale wysokostopowe 904L, stale duplex i superduplex, stale austenityczne typu 6Mo, takie jak 1.4547 i 1.4529, oraz odpowiednio dobrane stopy niklu. Wyższy stopień stopowania nie oznacza jednak automatycznie, że materiał będzie najlepszym rozwiązaniem w każdym środowisku.

Dobór powinien uwzględniać jednocześnie skład chemiczny medium, temperaturę, pH, stężenie chlorków, warunki przepływu, obecność szczelin i osadów, naprężenia, technologię wykonania oraz przewidywany czas eksploatacji.

Środowisko i materiał należy analizować razem

Odporność korozyjna nie jest właściwością, którą można prawidłowo opisać jednym określeniem typu „stal odporna na korozję”. Materiał jest odporny lub podatny na korozję zawsze w odniesieniu do określonego środowiska i warunków pracy.

Dlatego przy projektowaniu instalacji należy analizować cały układ: materiał – środowisko – temperatura – konstrukcja – sposób wykonania – warunki eksploatacji. Dopiero takie podejście pozwala prawidłowo ocenić ryzyko korozji i dobrać materiał o wymaganej trwałości.

Korozja metali w różnych środowiskach

Poszczególne środowiska korozyjne wymagają osobnej analizy. W kolejnych opracowaniach przedstawiono szczegółowo mechanizmy korozji, czynniki zwiększające ryzyko oraz zasady doboru materiałów dla następujących warunków:

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

Środowisko eksploatacji jest jednym z podstawowych czynników decydujących o trwałości metali i stopów. Atmosfera, grunt, woda morska, woda przemysłowa, chlorki, kwasy i zasady mogą tworzyć całkowicie odmienne warunki korozyjne i uruchamiać różne mechanizmy niszczenia materiału.
Dlatego znajomość samego gatunku materiału nie wystarcza do oceny jego trwałości. Prawidłowy dobór wymaga określenia rzeczywistych warunków pracy oraz identyfikacji mechanizmów korozji, które mogą w nich wystąpić. Dopiero połączenie wiedzy o materiale i środowisku pozwala właściwie ocenić odporność korozyjną konstrukcji.

Rodzaje korozji stali i metali

Korozja może przebiegać według różnych mechanizmów zależnych od materiału, środowiska i warunków eksploatacji. Zobacz również pozostałe rodzaje korozji:
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

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