Korozja w wodzie słodkiej i przemysłowej – korozja metali i stali w instalacjach wodnych

Korozja w wodzie słodkiej i przemysłowej obejmuje procesy niszczenia metali i stopów pozostających w kontakcie z wodą pitną, powierzchniową, gruntową, technologiczną, chłodniczą, obiegową oraz innymi rodzajami wód wykorzystywanych w instalacjach przemysłowych. Określenie „woda” nie opisuje jednego środowiska korozyjnego. Właściwości wody mogą znacznie różnić się pod względem zawartości chlorków i innych soli, pH, twardości, alkaliczności, przewodności, zawartości tlenu, temperatury, obecności osadów, mikroorganizmów oraz stosowanych dodatków chemicznych.
Ten sam materiał może więc wykazywać bardzo dobrą trwałość w jednej instalacji wodnej, a w innej ulegać korozji wżerowej, szczelinowej, galwanicznej, mikrobiologicznej MIC lub korozji erozyjnej. Prawidłowy dobór materiału powinien być oparty na analizie rzeczywistego składu wody i warunków eksploatacji, a nie wyłącznie na określeniu „woda słodka” lub „woda przemysłowa”.

Dlaczego woda powoduje korozję metali?

Woda zawierająca rozpuszczone jony może pełnić funkcję elektrolitu, umożliwiając przebieg reakcji elektrochemicznych na powierzchni metalu. Na powierzchni mogą powstawać obszary anodowe, w których metal ulega utlenieniu, oraz obszary katodowe, w których zachodzą reakcje redukcji.
Przebieg procesu zależy między innymi od składu chemicznego wody, jej przewodności, pH, zawartości tlenu i temperatury. Istotne są również warunki hydrodynamiczne. Woda stojąca może sprzyjać powstawaniu osadów, biofilmu i lokalnych różnic natlenienia, natomiast duża prędkość przepływu, turbulencje lub obecność cząstek stałych mogą w określonych warunkach zwiększać znaczenie erozji i korozji erozyjnej.

Najważniejsze parametry wody wpływające na korozję

Woda słodka nie oznacza wody niekorozyjnej

Woda słodka charakteryzuje się znacznie mniejszą zawartością rozpuszczonych soli niż woda morska, ale nadal może powodować korozję metali. Wody powierzchniowe, gruntowe i wodociągowe różnią się składem mineralnym, zawartością tlenu, chlorków, siarczanów, wodorowęglanów i substancji organicznych.
Woda o małej mineralizacji może w określonych warunkach zachowywać się inaczej niż woda twarda o dużej alkaliczności. Z kolei nawet umiarkowana zawartość chlorków może stać się istotnym problemem dla stali nierdzewnej przy podwyższonej temperaturze, obecności szczelin, osadów lub podczas długotrwałych zastojów.

Woda przemysłowa – środowisko zależne od procesu

Określenie „woda przemysłowa” obejmuje bardzo szeroką grupę mediów. Może to być woda surowa, uzdatniona, procesowa, chłodnicza, obiegowa, płucząca, kondensat lub woda o składzie celowo modyfikowanym za pomocą inhibitorów, biocydów, środków regulujących pH i innych dodatków technologicznych.
W obiegach zamkniętych skład wody może zmieniać się w czasie. Odparowanie części wody może prowadzić do koncentracji rozpuszczonych soli, a procesy technologiczne mogą wprowadzać dodatkowe zanieczyszczenia. Z tego powodu analiza próbki wody zasilającej nie zawsze wystarcza do oceny środowiska, które rzeczywiście występuje na powierzchni materiału podczas eksploatacji.

Wpływ chlorków na stal nierdzewną

Chlorki należą do najważniejszych czynników ograniczających zastosowanie stali nierdzewnych w instalacjach wodnych. Mogą lokalnie destabilizować warstwę pasywną i inicjować korozję wżerową. W szczelinach, pod uszczelkami i osadami mogą powstawać warunki sprzyjające korozji szczelinowej.
Nie istnieje jedna uniwersalna wartość stężenia chlorków, poniżej której każdy gatunek stali nierdzewnej jest bezpieczny, a powyżej której zawsze wystąpi korozja. Ryzyko zależy jednocześnie od temperatury, pH, potencjału elektrochemicznego, natlenienia, stanu powierzchni, czasu ekspozycji, obecności szczelin i osadów oraz składu materiału.
Z tego powodu stwierdzenia typu „316L jest odporna do określonej liczby mg/l chlorków” bez podania pozostałych warunków należy traktować z dużą ostrożnością.

Temperatura wody a korozja

Temperatura wpływa na szybkość reakcji elektrochemicznych, rozpuszczalność gazów, powstawanie osadów oraz stabilność warstwy pasywnej. W przypadku stali nierdzewnych wzrost temperatury w środowisku chlorkowym może znacząco zwiększać ryzyko korozji wżerowej i szczelinowej.
Dlatego materiał odpowiedni do zimnej wody zawierającej określoną ilość chlorków nie musi być odpowiedni do tej samej wody po podgrzaniu. Szczególnej uwagi wymagają wymienniki ciepła, podgrzewacze, instalacje ciepłej wody oraz powierzchnie, na których temperatura metalu jest wyższa od temperatury głównego strumienia medium.
Do laboratoryjnego porównywania odporności materiałów na inicjację korozji lokalnej wykorzystuje się między innymi CPT – krytyczną temperaturę korozji wżerowej – oraz CCT – krytyczną temperaturę korozji szczelinowej. Wartości te zależą od zastosowanej metody badawczej i nie są bezpośrednio maksymalnymi temperaturami pracy materiału w dowolnej wodzie.

Korozja wżerowa w instalacjach wodnych

Korozja wżerowa jest szczególnie niebezpieczna, ponieważ może prowadzić do głębokiej penetracji materiału przy niewielkim całkowitym ubytku masy. Na powierzchni elementu mogą występować pojedyncze niewielkie miejsca ataku, podczas gdy wewnątrz materiału rozwijają się głębokie wżery.
W przypadku cienkościennych rur lub zbiorników wżer może doprowadzić do perforacji i przecieku. Ryzyko zwiększają między innymi chlorki, podwyższona temperatura, niekorzystny stan powierzchni, osady oraz lokalne zmiany warunków elektrochemicznych.

Korozja szczelinowa pod uszczelkami i osadami

Połączenia kołnierzowe, uszczelki, gwinty, zakładki i osady tworzą miejsca o ograniczonej wymianie wody z głównym strumieniem. Po rozpoczęciu procesów elektrochemicznych skład roztworu wewnątrz szczeliny może stopniowo różnić się od składu wody poza szczeliną.
Zużywanie tlenu, migracja jonów i hydroliza produktów korozji mogą prowadzić do zakwaszenia lokalnego środowiska i wzrostu stężenia chlorków. W rezultacie warstwa pasywna może zostać destabilizowana nawet wtedy, gdy główna objętość wody nie wydaje się szczególnie agresywna.

Zastój wody i martwe odcinki instalacji

Martwe odcinki, niewykorzystywane odgałęzienia i długotrwałe przestoje instalacji mogą tworzyć warunki odmienne od występujących podczas normalnego przepływu. W stojącej wodzie może zmieniać się zawartość tlenu, rozwijać biofilm i powstawać osady.
Nie oznacza to, że każdy zastój automatycznie powoduje korozję. Ryzyko zależy od materiału i składu wody, jednak projektowanie instalacji w sposób ograniczający niepotrzebne martwe strefy jest ważnym elementem profilaktyki korozyjnej i higienicznej.

Osady i korozja podosadowa

Produkty korozji, kamień, cząstki mineralne, produkty procesowe i zanieczyszczenia biologiczne mogą osadzać się na powierzchni metalu. Pod warstwą osadu wymiana tlenu i substancji rozpuszczonych z głównym strumieniem wody jest ograniczona.
Może prowadzić to do powstania lokalnego mikrośrodowiska o innym pH, natlenieniu i składzie jonowym. W przypadku stali nierdzewnych takie warunki mogą zwiększać ryzyko korozji szczelinowej lub innych form lokalnego ataku. Osad może również utrudniać kontrolę powierzchni i ukrywać rozwijające się uszkodzenia.

Korozja mikrobiologiczna MIC w instalacjach wodnych

Woda naturalna i wiele wód przemysłowych zawiera mikroorganizmy zdolne do kolonizacji powierzchni instalacji. Powstający biofilm może zmieniać lokalne stężenie tlenu, pH, skład chemiczny oraz warunki elektrochemiczne na granicy metal–woda.
Proces określany jako MIC – Microbiologically Influenced Corrosion – nie jest jednym prostym mechanizmem powodowanym przez jeden gatunek bakterii. Jest to grupa zjawisk, w których aktywność mikroorganizmów wpływa na procesy korozyjne.
Ryzyko MIC może wzrastać w miejscach o małym przepływie, pod osadami, podczas długotrwałych przestojów oraz w instalacjach, w których warunki umożliwiają rozwój biofilmu.

Dezynfekcja i środki utleniające

W instalacjach wodnych stosuje się różne metody ograniczania rozwoju mikroorganizmów, w tym środki utleniające. Chlor, podchloryny, dwutlenek chloru, ozon i inne środki dezynfekujące mogą zmieniać potencjał elektrochemiczny powierzchni metalu.
Ich wpływ na korozję zależy od rodzaju środka, stężenia, temperatury, pH, czasu kontaktu i materiału. Nie można więc zakładać, że dezynfekcja zawsze ogranicza korozję poprzez usunięcie biofilmu. W określonych warunkach silnie utleniające środowisko może zwiększać podatność niektórych stali nierdzewnych na inicjację korozji lokalnej.

Korozja galwaniczna w instalacjach wodnych

Połączenie różnych metali w instalacji może prowadzić do powstania ogniwa galwanicznego, jeżeli materiały pozostają w kontakcie elektrycznym i są jednocześnie połączone przez przewodzące medium. Woda zawierająca rozpuszczone sole może pełnić funkcję elektrolitu.

Znaczenie ma położenie materiałów w szeregu galwanicznym w danym środowisku oraz stosunek ich powierzchni. Szczególnie niekorzystna może być niewielka powierzchnia materiału anodowego połączona z dużą powierzchnią materiału bardziej szlachetnego.
Dlatego przy projektowaniu instalacji należy analizować nie tylko rury i zbiorniki, ale również zawory, pompy, wymienniki, elementy złączne, spoiwa i inne materiały mające kontakt z tym samym medium.

Przepływ, erozja i korozja erozyjna

Przepływ wody wpływa na transport tlenu i substancji chemicznych do powierzchni oraz na usuwanie produktów reakcji. Umiarkowany przepływ może ograniczać osadzanie zanieczyszczeń i powstawanie niektórych warunków sprzyjających korozji podosadowej.
Przy dużych prędkościach, silnych turbulencjach, zmianach kierunku przepływu lub obecności cząstek stałych może natomiast dochodzić do intensywnego oddziaływania mechanicznego na powierzchnię. Jeżeli proces mechanicznego niszczenia współdziała z procesem elektrochemicznym, może rozwijać się korozja erozyjna.
Szczególnie narażone mogą być kolana, zwężki, zawory, wirniki pomp, okolice wlotów i wylotów oraz inne miejsca, w których występują lokalne zaburzenia przepływu.

Woda chłodnicza i obiegi chłodzące

Układy chłodzenia należą do bardziej wymagających instalacji wodnych, ponieważ skład medium może zmieniać się podczas pracy. W otwartych układach recyrkulacyjnych odparowanie części wody prowadzi do koncentracji soli rozpuszczonych. Jednocześnie temperatura, dostęp tlenu i rozwój mikroorganizmów mogą sprzyjać korozji oraz powstawaniu osadów.
Kontrola wody chłodniczej może obejmować regulację pH, stężenia soli, dozowanie inhibitorów korozji, środków ograniczających powstawanie osadów oraz biocydów. Program uzdatniania powinien być dostosowany do materiałów zastosowanych w całej instalacji.

Woda demineralizowana i woda o wysokiej czystości

Mała zawartość rozpuszczonych soli oznacza niską przewodność elektryczną, ale nie pozwala automatycznie uznać wody o wysokiej czystości za całkowicie obojętną korozyjnie. Zachowanie materiału zależy również od tlenu rozpuszczonego, dwutlenku węgla, temperatury, prędkości przepływu, czystości instalacji i możliwości wtórnego zanieczyszczenia wody.
W instalacjach wymagających bardzo wysokiej czystości medium znaczenie ma ponadto nie tylko szybkość korozji, ale również możliwość uwalniania jonów metali i produktów powierzchniowych do wody. Z tego powodu wymagania materiałowe w instalacjach farmaceutycznych, półprzewodnikowych lub energetycznych mogą być znacznie bardziej rygorystyczne niż w zwykłych instalacjach wodnych.

Stal węglowa w instalacjach wodnych

Stal węglowa jest szeroko stosowana w instalacjach wodnych, ale bez odpowiednich warunków eksploatacji lub ochrony może ulegać korozji ogólnej i lokalnej. Na szybkość procesu wpływają między innymi zawartość tlenu, pH, temperatura, skład jonowy i prędkość przepływu.
W zależności od instalacji stosuje się uzdatnianie wody, inhibitory korozji, powłoki ochronne lub inne metody ograniczania kontaktu aktywnej powierzchni metalu ze środowiskiem.

Stale nierdzewne w wodzie słodkiej i przemysłowej

Stale nierdzewne zawdzięczają wysoką odporność cienkiej warstwie pasywnej tworzącej się na powierzchni dzięki obecności chromu. W wielu wodach słodkich zapewniają bardzo dobrą trwałość, ale w obecności chlorków, szczelin, osadów i podwyższonej temperatury może wystąpić korozja lokalna.
Wraz ze wzrostem agresywności środowiska stosuje się gatunki o wyższej zawartości chromu, molibdenu i azotu. Do wstępnego porównywania odporności na korozję wżerową może być wykorzystywany wskaźnik PREN, natomiast CPT i CCT pozwalają porównywać odporność na inicjację odpowiednio korozji wżerowej i szczelinowej w określonych warunkach badawczych.

Dobór stali nierdzewnej do instalacji wodnej

Tabela przedstawia ogólną charakterystykę grup materiałów i nie określa dopuszczalnego stężenia chlorków ani maksymalnej temperatury pracy. Właściwy dobór wymaga analizy rzeczywistego składu wody, temperatury, pH, natlenienia, przepływu, sposobu dezynfekcji, występowania szczelin i osadów oraz warunków eksploatacji.

Dlaczego nie należy dobierać stali tylko według stężenia chlorków?

Stężenie chlorków jest bardzo ważnym parametrem, ale nie opisuje całego środowiska. Ta sama zawartość Cl⁻ może być stosunkowo bezpieczna dla danego materiału w chłodnej, przepływającej wodzie o korzystnym pH, a powodować znacznie większe ryzyko w wodzie gorącej, w szczelinie lub pod osadem.
Znaczenie ma również sposób wykonania instalacji. Przebarwienia spawalnicze, zanieczyszczenia powierzchni, duża chropowatość i niewłaściwa obróbka po spawaniu mogą lokalnie obniżać odporność stali nierdzewnej. Dlatego sama analiza chemiczna materiału i wody nie zastępuje prawidłowego projektowania i wykonania konstrukcji.

Jak ograniczyć korozję w instalacjach wodnych?

• analizować rzeczywisty skład chemiczny wody, a nie tylko jej pochodzenie,
• kontrolować chlorki, pH, przewodność, temperaturę i inne istotne parametry procesu,
• ograniczać martwe odcinki i długotrwałe zastoje,
• projektować instalację tak, aby ograniczyć szczeliny i miejsca gromadzenia osadów,
• kontrolować biofilm i ryzyko MIC,
• dobierać prędkość przepływu odpowiednio do materiału i konstrukcji,
• unikać niekorzystnych połączeń galwanicznych różnych metali,
• prawidłowo wykonywać i oczyszczać połączenia spawane,
• uwzględniać wpływ środków dezynfekujących, inhibitorów i innych dodatków chemicznych,
• monitorować zmiany składu wody podczas eksploatacji, szczególnie w obiegach zamkniętych i recyrkulacyjnych.

Korozja w wodzie słodkiej a korozja morska

Podstawowa różnica pomiędzy wodą słodką i morską wynika między innymi z zawartości rozpuszczonych soli. Woda morska zawiera znacznie większe stężenie chlorków i ma wysoką przewodność elektryczną, dlatego stanowi szczególnie wymagające środowisko dla wielu metali i stali nierdzewnych.
Nie oznacza to jednak, że każda woda słodka jest środowiskiem łagodnym. Gorąca woda przemysłowa zawierająca chlorki, środki utleniające, osady i biofilm może tworzyć bardzo wymagające warunki eksploatacyjne. Dlatego klasyfikacja medium jako „wody słodkiej” jest dopiero początkiem analizy korozyjnej.

Korozja w wodzie słodkiej i przemysłowej zależy od wielu wzajemnie powiązanych parametrów. Najważniejsze z nich to skład jonowy, chlorki, pH, temperatura, zawartość tlenu, przewodność, przepływ, osady, mikroorganizmy oraz stosowane dodatki chemiczne.
W instalacjach wodnych mogą rozwijać się różne formy korozji: ogólna, wżerowa, szczelinowa, galwaniczna, mikrobiologiczna MIC i erozyjna. Stale nierdzewne zapewniają bardzo dobrą odporność w wielu wodach, ale nie są całkowicie niewrażliwe na środowisko, szczególnie w obecności chlorków, wysokiej temperatury i szczelin.
Prawidłowy dobór materiału powinien więc uwzględniać cały układ: materiał – skład wody – temperatura – pH – chlorki – przepływ – osady – mikroorganizmy – konstrukcja – 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