Korozija tal – korozija kovin in jekla v tleh

Korozija tal je proces uničevanja kovin in zlitin v neposrednem stiku s tlemi. Med drugim prizadene podzemne cevovode, rezervoarje, temeljne pilote, jeklene konstrukcije, vodovodne in plinske instalacije, ozemljitvene sisteme in druge elemente podzemne infrastrukture. Tla so še posebej kompleksno okolje, saj se njihove kemijske, fizikalne in biološke lastnosti lahko spreminjajo že na kratkih razdaljah.
Korozivnost tal je odvisna od dejavnikov, kot so vlaga, upornost, vsebnost raztopljenih soli, pH, dostop kisika, prepustnost, mineralna sestava, prisotnost mikroorganizmov in zablodeli tokovi. Pomembna je tudi heterogenost tal. Isti element lahko prehaja skozi plasti z različnimi lastnostmi, kar spodbuja nastanek lokaliziranih korozijskih celic.

Zakaj kovine korodirajo v zemlji?

Vlažna tla lahko delujejo kot elektrolit, kar omogoča elektrokemične reakcije. Na površini zakopane kovine se lahko tvorijo anodna in katodna območja. V anodnih območjih pride do oksidacije kovine in postopne izgube kovine, medtem ko katodne reakcije potekajo drugje na površini.
Porazdelitev anodnih in katodnih območij je odvisna od lokalnih razmer. Razlike v vlažnosti, oksigenaciji, slanosti, pH-ju in sestavi tal lahko povzročijo, da se posamezni deli iste strukture elektrokemično obnašajo različno. Posledično je lahko korozija tal relativno enakomerna ali zelo lokalizirana.

Najpomembnejši dejavniki, ki vplivajo na korozijo tal

Faktor	Pomen za korozijo
vlažnost	omogoča nastajanje elektrolita in transport ionov; tako zelo suha kot popolnoma nasičena tla se lahko obnašajo drugače kot periodično mokra tla
Upornost tal	Nizka upornost običajno pomeni večjo sposobnost tal za prevajanje električne energije in je pomemben kazalnik potencialne korozivne agresivnosti.
pH	vpliva na elektrokemijske reakcije, stabilnost korozijskih produktov in obnašanje zaščitnih plasti
Chlorki	povečajo prevodnost elektrolita in lahko povečajo tveganje za lokalno korozijo, zlasti nerjavnih jekel
Žveplo	Vplivajo na kemično sestavo okolja in so lahko pomembni tudi v procesih, povezanih z mikrobiološko aktivnostjo
Kisik	Razlike v razpoložljivosti kisika lahko vodijo do nastanka diferencialnih prezračevalnih celic
Mikroorganizmi	lahko spremeni lokalne kemijske in elektrokemijske pogoje ter sodeluje pri razvoju MIC
Bledeči tokovi	lahko povzročijo zelo intenzivno lokalno izgubo kovine na mestih, kjer tok teče iz strukture
Heterogenost tal	Različne lastnosti tal vzdolž konstrukcije lahko povzročijo nastanek korozijskih makrocelic

Upornost tal in tveganje korozije

Upornost tal je eden najpogosteje uporabljenih parametrov pri ocenah podzemnega okolja. Določa sposobnost tal, da se uprejo pretoku električnega toka. Tla z visoko vsebnostjo vlage in raztopljenih soli imajo običajno nižjo upornost kot suha, peščena tla.
Nizka upornost lahko spodbuja pretok korozijskih tokov in je zato znak povečanega potencialnega tveganja. Vendar pa korozivnosti tal ne smemo ocenjevati zgolj na podlagi ene same vrednosti upornosti. Upoštevati je treba tudi vlago, pH, ionsko sestavo, oksigenacijo, mikroorganizme in prisotnost zablodelih tokov.

Vlažnost tal

Voda v talnih porah olajša transport ionov in nastanek elektrolita na kovinski površini. Vsebnost vlage je zato ključnega pomena za potek elektrokemične korozije.
Vendar pa razmerje med vlažnostjo in hitrostjo korozije ni linearno. V zelo suhih tleh je ionska prevodnost nizka. Z naraščanjem vlažnosti se prevodnost običajno poveča. Vendar pa se lahko pri zelo visokih ravneh nasičenosti z vodo dostop kisika do površine zmanjša. Končni potek korozije je zato odvisen od ravnovesja med prevodnostjo elektrolitov in transportom reagentov.

Diferencialne prezračevalne celice

Eden od značilnih pojavov v tleh je nastanek celic, ki nastanejo zaradi različnega dostopa kisika do določenih delov kovinske površine. Odsek, ki se nahaja v dobro prezračenih, prepustnih tleh, ima lahko drugačne elektrokemijske pogoje kot odsek, ki se nahaja v kompaktnih, vlažnih ali s sedimenti prekritih tleh.
Takšne razlike lahko privedejo do relativno velikih razdalj med anodnim in katodnim območjem. Posledično se lahko intenzivna izguba materiala koncentrira v določenem delu strukture, čeprav je celotna komponenta izdelana iz istega materiala.

Vpliv pH vrednosti tal

PH tal vpliva na elektrokemijske reakcije in stabilnost korozijskih produktov. Pri ogljikovih jeklih lahko zelo kislo okolje poveča hitrost korozije. Obnašanje nerjavnih jekel je odvisno tudi od stabilnosti njihove pasivne plasti in prisotnosti agresivnih ionov, predvsem kloridov.
Vendar pa sam pH ni zadosten za določitev agresivnosti tal. Dve tleh s podobnim pH se lahko razlikujeta po upornosti, vsebnosti kloridov in sulfatov, vsebnosti vlage in oksigenaciji, kar posledično povzroča popolnoma različne hitrosti in vrste korozije.

Kloridi in soli, raztopljeni v tleh

Raztopljene soli povečajo prevodnost porne vode v tleh. Kloridi so še posebej pomembni, saj lahko destabilizirajo pasivno plast nerjavečega jekla in povečajo tveganje za jamkasto in špranjsko korozijo.
Kloridi se lahko pridobivajo iz naravnih sestavin tal, podtalnice, obalnega okolja, industrijske dejavnosti in uporabe soli za odtajanje. Lokalizirano kopičenje soli lahko ustvari okolje, ki je veliko bolj agresivno, kot bi nakazovale splošne značilnosti območja.

Mikrobiološka korozija MIC v tleh

Tla so biološko aktivno okolje. Mikroorganizmi lahko tvorijo biofilm in spremenijo lokalne kemijske in elektrokemijske razmere na kovinski površini. Ta proces se imenuje mikrobiološko vplivana korozija (MIC).
V okoljih z omejenim kisikom lahko vlogo igrajo mikroorganizmi, ki sodelujejo pri presnovi žveplovih spojin. Vendar pa se MIK ne sme zreducirati zgolj na delovanje ene same skupine bakterij. V resničnih okoljih lahko v korozijskih procesih sodelujejo kompleksne združbe mikroorganizmov, njihov vpliv pa je odvisen od kemijskih in bioloških pogojev.
Mikrobiološka korozija je lahko zelo lokalizirana in vodi do globokih materialnih izgub, zato predstavlja veliko grožnjo za cevovode, rezervoarje in druge podzemne objekte.

Blodeči tokovi in elektrolitska korozija podzemnih struktur

Bledeči tokovi so električni tokovi, ki tečejo po poteh, ki niso predvideni električni tokokrog. Pojavijo se lahko v bližini enosmernih vlečnih sistemov, industrijskih instalacij in sistemov katodne zaščite drugih objektov, med drugim.
Če enosmerni tok steče v kovinsko podzemno konstrukcijo in nato na drugi točki izteče v zemljo, lahko območje toka postane mesto intenzivnega anodnega raztapljanja kovine. Nastala škoda je lahko zelo lokalizirana.
Ocenjevanje nevarnosti zaradi zablodelih tokov zahteva električne in elektrokemijske meritve. Posebej pomembno je spremljanje strukturnih potencialov in interakcije sistemov katodne zaščite, ki se nahajajo znotraj istega območja vpliva.

Korozija podzemnih cevovodov

Cevovodi so še posebej dovzetni za korozijo tal zaradi svoje dolge dolžine in možnosti poteka skozi zelo različne talne razmere. En odsek ima lahko suha, peščena tla, drugi pa vlažna glinena tla, slana območja ali območja z omejeno oskrbo s kisikom.
Primarna zaščita jeklenih cevovodov je običajno zagotovljena z ustrezno izbranim izolacijskim premazom, ki omejuje stik med kovinsko površino in elektrolitom. Pri mnogih kritičnih podzemnih konstrukcijah premazi delujejo skupaj s katodno zaščito.
Poškodba premaza je še posebej pomembna, ker izpostavi majhne dele kovinske površine. Zaščitni sistem je treba zasnovati in spremljati tako, da upošteva stanje premaza, lastnosti tal in morebiten vpliv drugih naprav.

Katodna zaščita konstrukcij v zemlji

Katodna zaščita vključuje nadzor potenciala zaščitene strukture za omejitev njenega anodnega raztapljanja. Uporabljata se dve osnovni rešitvi: zaščita z galvanskimi anodami in sistemi z zunanjim virom toka, imenovani ICCP (Impressed Current Cathodic Protection).

sistem	Načelo delovanja	značilnost
Galvanske anode	Struktura je električno povezana z materialom z bolj aktivnim potencialom	anoda se postopoma obrabi in strukturi zagotavlja zaščitni tok
ICCP	Zaščitni tok napaja zunanji enosmerni vir	omogoča nadzor nad stopnjo zaščite velikih struktur, zahteva ustrezno načrtovanje in spremljanje

Katodna zaščita ne vključuje določitve enotnega, univerzalnega potenciala za vse strukture. Zaščitni kriteriji so odvisni od dejavnikov, kot so material, vrsta strukture, okolje in veljavni standard. Nepravilno zasnovan sistem je lahko neučinkovit ali povzroči neželene vplive na sosednje instalacije.

Zaščitni premazi v tleh

Zaščitni premaz ustvarja pregrado med kovino in vlažnimi tlemi. Za podzemne konstrukcije se uporabljajo epoksidni, polietilenski, polipropilenski in drugi sistemi, odvisno od vrste konstrukcije in obratovalnih pogojev.
Vendar pa noben premaz ne bi smel veljati za popolnoma brezhibno pregrado skozi celotno življenjsko dobo. Poškodbe lahko nastanejo med transportom, namestitvijo, zasipanjem ali poznejšim delovanjem konstrukcije. Zaradi tega sta v mnogih instalacijah premaz in katodna zaščita sestavni del enega samega sistema protikorozijske zaščite.

Nerjaveče jeklo v tleh

Nerjaveča jekla lahko kažejo odlično odpornost v številnih talnih pogojih, vendar je njihova učinkovitost odvisna od sposobnosti vzdrževanja pasivne plasti. Tla z visokimi vsebnostmi kloridov, območja z omejenim dostopom do kisika, razpoke, sedimenti in okolja, ki spodbujajo minimalne ionizirajoče kemikalije (MIC), so lahko še posebej neugodna.
Zakopavanje elementa iz nerjavečega jekla ne zagotavlja samodejno popolne odpornosti proti koroziji. Lokalizirana korozija se lahko pojavi v agresivnih tleh, zato je treba pri izbiri razreda upoštevati sestavo tal in podtalnice, temperaturo, možnost nastanka razpok ter biološke razmere.

Izbira materiala za delo v tleh

stvari	Značilnosti uporabe v tleh
Ogljikovo jeklo	pogosto se uporablja v podzemnih objektih; običajno zahteva zaščitni sistem na osnovi premaza in v mnogih instalacijah tudi katodno zaščito
pocinkano jeklo	Cink zagotavlja pregrado in galvansko zaščito, vendar je trajnost močno odvisna od kemijskih lastnosti tal
304 l / 1.4307	se lahko uporablja v dovolj blagih pogojih, vendar v prisotnosti kloridov in neugodnih lokalnih razmerah obstaja nevarnost jamkaste in špranjske korozije
316 l / 1.4404	večja odpornost proti lokalni koroziji kot 304L zaradi vsebnosti molibdena, vendar ni brezpogojno odporna na vse vrste tal
Dupleks 2205 / 1.4462	večja odpornost proti lokalni koroziji in visoka trdnost; po okoljski analizi se lahko uporablja v zahtevnejših pogojih
Visoko legirana jekla in nikljeve zlitine	uporablja se v posebej agresivnih okoljih, kadar to upravičujejo kemična sestava tal, podtalnica in obratovalne zahteve

V tabeli so predstavljene le splošne značilnosti materialov. Ni univerzalne vrste, primerne za vsa tla. Pravilna izbira zahteva poznavanje okoljskih parametrov in gradbenih pogojev.

Kako se testira korozivnost tal?

Ocena talnega okolja lahko vključuje meritve upornosti, pH in vlage ter analizo kloridov, sulfatov in drugih topnih komponent. Glede na vrsto strukture se izvajajo tudi meritve elektrokemijskega potenciala, testiranje blodečih tokov in ocena pogojev, ugodnih za mikrobiološko aktivnost.
Pri dolgih linearnih konstrukcijah en sam vzorec tal morda ni reprezentativen. Razmere je treba oceniti na več točkah, zlasti tam, kjer se spreminjajo vrsta tal, vlažnost, slanost, bližina električnih inštalacij in drugi potencialni viri korozije.

Kako zmanjšati korozijo tal?

pred izbiro materiala in zaščitnega sistema prepoznati lastnosti tal,
uporabite pravilno izbrane zaščitne premaze,
v zahtevnih instalacijah uporabite ustrezno zasnovano katodno zaščito,
pred prekrivanjem konstrukcije preverite kakovost in neprekinjenost premaza,
spremljati potenciale strukture in delovanje sistema katodne zaščite,
upoštevajte prisotnost zablodelih tokov in sosednjih napeljav,
analizirati tveganje za MIC v okoljih, ki so ugodna za mikrobiološko aktivnost,
izogibajte se neugodnim kombinacijam različnih kovin,
upoštevajte spremembe lastnosti tal vzdolž celotne dolžine konstrukcije.

Korozija tal in atmosferska korozija

Korozija tal in ozračja sta elektrokemična procesa, vendar se pogoji za prenos kisika, vlage in ionov v vsakem okolju razlikujejo. V ozračju površina običajno prehaja skozi cikle omočenja in sušenja, medtem ko v tleh kovina ostane v stiku s porsko vodo, katere sestava in razpoložljivost kisika se lahko lokalno znatno razlikujeta.
Posebej zanimiva so območja, kjer strukture prečkajo mejo med tlemi in atmosfero. Spreminjajoči se pogoji vlažnosti, oksigenacije in kontaminacije lahko povzročijo nastanek lokalnih korozijskih celic, zato ta prehodna območja zahtevajo ustrezno zaščito.

Korozija tal je kompleksen proces, ki je odvisen od sočasnega vpliva vlažnosti, upornosti, pH-ja, soli, kisika, mikroorganizmov, zablodelih tokov in heterogenosti tal. Zato je nemogoče določiti agresivnost podzemnega okolja na podlagi enega samega parametra.
Pri konstrukcijah iz ogljikovega jekla je osnova za zaščito pravilno izbrani premazi in v mnogih primerih katodna zaščita. Nerjaveča jekla ponujajo večjo odpornost v številnih pogojih, vendar so lahko tudi podvržena lokalni koroziji v prisotnosti kloridov, razpok, usedlin in neugodnih bioloških pogojev.
Za pravilno zaščito podzemnih objektov je potrebna analiza celotnega sistema: material – zemlja – podtalnica – premaz – katodna zaščita – zablodeli tokovi – obratovalni pogoji.