Jamkasta korozija nerjavnih jekel – vzroki, mehanizem, PREN, CPT in preprečevanje

Prenesite opis v pdf formatu

Jamkasta korozija je ena najnevarnejših oblik lokalizirane korozije nerjavnih jekel, dupleksnih jekel, superdupleksnih jekel in nikljevih zlitin. Za razliko od enakomerne korozije ne povzroča enakomerne izgube materiala po celotni površini, temveč se razvija lokalno in ustvarja vdolbine, znane kot korozijske jame.
Jamkasta napaka se lahko pojavi kot majhna luknjica, vidna na površini, medtem ko se pod njo razvije veliko večja poškodba. Zaradi tega je lahko komponenta videti zdrava, čeprav je njena lokalna debelina že znatno zmanjšana. V skrajnih primerih lahko to povzroči perforacijo cevi, rezervoarjev, toplotnih izmenjevalnikov in drugih komponent sistema.
Najpomembnejša značilnost jamkaste korozije je možnost zelo globokih, lokalnih poškodb z relativno majhno izgubo mase celotne komponente.

Kaj je jamkasta korozija?

Jamkasta korozija, znana tudi kot luknjičasta korozija, je lokalna oblika korozije, ki se pojavlja predvsem v kovinah in zlitinah, zaščitenih s pasivno plastjo.
Pri nerjavnih jeklih je odpornost proti koroziji posledica prisotnosti zelo tanke plasti oksidov, bogatih s kromom, na površini. Ta plast ločuje kovino od okolja in se lahko pod ustreznimi pogoji ponovno oblikuje.
Če pa je pasivna plast lokalno oslabljena ali prebodena, se lahko začne lokalno raztapljanje kovine. V tem pogledu so še posebej nevarni kloridni ioni Cl^-.

Kje je nevarnost jamkaste korozije?

Jamkasta korozija se lahko pojavi v okoljih, ki med drugim vsebujejo:

• morska voda,
• slankasta voda,
• tehnološke slanice,
• natrijev in kalcijev klorid,
• procesne vode, ki vsebujejo kloride,
• bazenska voda,
• razkužila in čistila, ki vsebujejo kloride,
• mokre usedline soli,
• drugi halogenidi.

Kako nastane korozijska jamka?

Korenje je elektrokemični proces. Lahko ga poenostavimo v več stopenj.

1. Oslabitev pasivne plasti

Pasivno plast lahko lokalno oslabijo:

• kloridni ioni,
• nekovinski vključki,
• mehanske poškodbe,
• praske,
• površinska kontaminacija,
• lestvica,
• razbarvanje pri varjenju,
• nepravilna priprava površine,
• lokalne mikrostrukturne nehomogenosti.

2. Lokalna pasivizacijska razgradnja

Ko je pasivna plast lokalno poškodovana, se izpostavljena kovina začne raztapljati. To območje postane anoda, medtem ko večina preostale površine ostane pasivna in se obnaša katodno.
Ustvari se neugodna razporeditev: zelo majhna anodna površina interagira z veliko katodno površino. Posledično je lahko hitrost lokalnega raztapljanja kovine zelo visoka.

3. Zakisanje notranjosti jame

Ko se kovina raztopi, se v jami tvorijo kovinski ioni. Hidrolizne reakcije, ki se pojavijo, povzročijo znižanje pH.
Okolje v jami zato postane bolj kislo kot okolje, ki obdaja jekleno površino.

4. Povečanje koncentracije klorida

Kloridni ioni se selijo v razvijajočo se jamo, kar dodatno povečuje agresivnost okolja v jami.
Lokalna rešitev je ustvarjena z:

• visoka koncentracija klorida,
• nizek pH,
• omejen dostop do kisika,
• pogoji, ki otežujejo obnovo pasivne plasti.

5. Samoodržen razvoj jamk

Ko so doseženi ustrezni pogoji, lahko proces postane avtokatalitični. To pomeni, da reakcije, ki se dogajajo v jami, povzročajo nadaljnje poslabšanje okolja in pospešujejo korozijo.

Diagram procesa:

kloridi in oslabitev pasivne plasti
↓
lokalno raztapljanje kovine
↓
povečanje koncentracije kovinskih ionov
↓
padec pH
↓
dotok ionov Cl^-
↓
težave pri repasivaciji
↓
nadaljnji razvoj jamkastega

Zakaj so kloridi tako nevarni?

Kloridni ioni so med najpomembnejšimi dejavniki, ki povzročajo lokalno uničenje pasivne plasti nerjavnih jekel.
Vendar pa sama prisotnost kloridov ne pomeni samodejno, da bo prišlo do korozije. Tveganje je odvisno tudi od:

• koncentracija klorida,
• temperatura,
• pH
• elektrokemijski potencial,
• prisotnost oksidacijskih sredstev,
• vrsta materiala,
• stanje površine,
• struktura elementov,
• čas izpostavljenosti.

Zato je trditev, da je določeno jeklo "odporno na kloride", ne da bi navedli temperaturo in koncentracijo medija, pretirana poenostavitev.

Vpliv temperature na jamkasto korozijo

Temperatura je eden najpomembnejših parametrov, ki vplivajo na tveganje za nastanek jamkastih korozij.
Z naraščanjem temperature se odpornost pasivne plasti proti preboju v kloridnem okolju običajno zmanjšuje. Material, ki lahko deluje brez jamkanja v dani raztopini pri 20 °C, morda ne bo ohranil te odpornosti pri 60 °C ali 80 °C.
To razmerje se uporablja pri določanju CPT – kritična temperatura jamkanja.

CPT – kritična temperatura jamkaste korozije

CPT je kritična temperatura jamkaste korozije, določena v specifičnih preskusnih pogojih.
Višja kot je vrednost CPT, večja je odpornost materiala na nastanek jamkastih korozij v uporabljenem preskusnem okolju.
Vendar CPT ni absolutna materialna konstanta. Rezultat je med drugim odvisen od preskusne metode, sestave raztopine, stanja površine, geometrije vzorca in metode priprave vzorca.

Več o CPT-ju

Vpliv pH

Znižanje pH lahko poveča tveganje za jamkasto korozijo, zlasti v okoljih, ki vsebujejo kloride.
Kombinacija:
visoka koncentracija klorida + visoka temperatura + nizek pH.
V takih pogojih standardna avstenitna jekla morda ne zadostujejo in so morda potrebna dupleks, superdupleks, 6Mo superavstenitna jekla ali nikljeve zlitine.

Odpornost na PREN in korozijo z jamkami

Za začetno primerjavo odpornosti nerjavečega jekla proti koroziji v luknjicah se uporablja indeks PREN – ekvivalentno število odpornosti proti koroziji v luknjicah.
Najpogosteje uporabljena enačba je:
PREN = % Cr + 3,3 × % Mo + 16 × % N
Višja kot je vrednost PREN, večja je običajno odpornost jekla na nastanek jamkaste korozije v kloridnih okoljih.

PREN je treba obravnavati kot primerjalni parameter. Ne upošteva neposredno kakovosti površine, zvarov, mikrostrukture, geometrije komponent ali dejanskih obratovalnih pogojev.
Več o PREN-u

Primerjava odpornosti izbranih vrst

Navedene vrednosti PREN so okvirne. Dejanska vrednost je odvisna od kemične sestave določene taline in uporabljene metode izračuna.

Zakaj lahko jeklo 316L trpi zaradi jamkaste korozije?

Jeklo AISI 316L se pogosto opisuje kot jeklo s povečano odpornostjo na kloridna okolja. To je predvsem posledica dodatka molibdena.
Vendar to ne pomeni popolne odpornosti na morsko vodo ali katero koli okolje, ki vsebuje kloride.
Tveganje za jamkasto korozijo v jeklu 316L se med drugim poveča zaradi:

• visoka temperatura,
• visoka koncentracija klorida,
• izhlapevanje vode in koncentracija soli,
• stagnacija medija,
• naselja,
• razpoke,
• neočiščeni zvari,
• površinska kontaminacija z železnimi delci.

Jamkasta korozija in špranjska korozija

Jamkasta in špranjska korozija sta obliki lokalizirane korozije, vendar nista isti pojav.

CCT – kritična temperatura špranjske korozije

CCT – kritična temperatura špranje je kritična temperatura za pojav špranjske korozije v določenih preskusnih pogojih.
Tako kot CPT je treba tudi CCT razlagati izključno glede na uporabljeno preskusno metodo.

Vpliv stanja površine

Stanje površine jekla ima pomemben vpliv na odpornost proti nastanku jamkaste korozije.
Tveganje se med drugim poveča zaradi:

• globoke praske,
• ostanki vodnega kamna,
• termična razbarvanje,
• kontaminacija z delci ogljikovega jekla,
• ostanki abrazivnih materialov,
• visoka hrapavost površine,
• nepravilno očiščeni zvari.

Gladka, čista in pravilno pripravljena površina običajno kaže večjo odpornost proti nastanku lokalne korozije.

Jamkasta korozija po varjenju

Varjenje lahko lokalno zmanjša korozijsko odpornost nerjavečega jekla, če se postopek izvede ali zaključi nepravilno.
Posebej pomembni so:

• območje, ki ga je prizadela toplota,
• razbarvanje pri varjenju,
• oksidna lestvica,
• spremembe mikrostrukture,
• neprimeren dodaten material,
• nepravilna plinska zaščita,
• pomanjkanje ustreznega čiščenja površine po varjenju.

Izbira visoko odpornega jekla sama po sebi ne zagotavlja odpornosti končne konstrukcije, če so bili varjeni spoji in površina nepravilno izdelani.

ASTM G48 – Preskus korozije zaradi jamk in špranj

Eden najpogosteje uporabljenih standardov za laboratorijsko testiranje odpornosti nerjavnih jekel in sorodnih zlitin proti koroziji v razpokah in špranjah je ASTM G48.
Standard zajema šest preskusnih metod z uporabo agresivnih raztopin železovega klorida.

Preskusi ASTM G48 so namenjeni predvsem primerjavi trajnosti materialov v specifičnih laboratorijskih pogojih. Rezultatov ne smemo šteti za neposredno napoved trajnosti materiala v kateri koli resnični namestitvi.

ASTM G150

Kritična temperatura jamkaste korozije se uporablja tudi za določanje ASTM G150.
To je elektrokemijska metoda z uporabo raztopine natrijevega klorida in nadzorovanega potenciala. Rezultati CPT, dobljeni z uporabo ASTM G150, se lahko razlikujejo od rezultatov, dobljenih z uporabo ASTM G48.
Zato se vrednosti CPT, določene z različnimi preskusnimi metodami, ne smejo neposredno primerjati.

PREN, CPT in CCT – razlike

Kje se najpogosteje pojavlja jamkasta korozija?

Kako zmanjšati tveganje za jamkasto korozijo?

Izbira prave vrste

Vrsta jekla je treba izbrati glede na dejansko koncentracijo kloridov, temperaturo, pH in druge komponente medija. Izraz "nerjaveče jeklo" ne pomeni enake stopnje odpornosti za vse vrste.

Nadzor temperature

Pri izbiri materiala je pomembno upoštevati ne le normalno delovno temperaturo, temveč tudi najvišje temperature, ki se pojavijo med zagonom, čiščenjem in razgradnjo.

Nadzor koncentracije klorida

Možnost lokalnega povečanja koncentracije soli zaradi:

• izhlapevanje vode,
• sušenje površine,
• stagnacija medija,
• lokalno ogrevanje,
• nastanek depozitov.

Odprava stagnacije

Zasnova napeljave mora omejiti mrtve prostore in mesta, kjer se lahko zadržujejo agresivni mediji.

Omejevanje vrzeli

Spoje in geometrije, ki povzročajo tesne reže pod tesnili, podložkami in usedline, je treba čim bolj zmanjšati.

Pravilno varjenje

Uporabiti je treba pravilen dodatni material, varilne parametre in ustrezno zaščito s plinom.

Čiščenje površin po varjenju

Termično razbarvanje in vodni kamen je treba odstraniti z ustreznimi metodami. Glede na uporabo se med uporabljenimi metodami uporabljata dekapiranje in pasivizacija.

Izogibanje kontaminaciji z ogljikovim jeklom

Orodja in abrazivov, ki se uporabljajo za ogljikovo jeklo, se ne smejo uporabljati na nerjavnem jeklu brez predhodnega pregleda.

Redno čiščenje

Odstranjevanje usedlin zmanjšuje možnost nastanka lokalnih območij s povečano koncentracijo kloridov in zmanjšano razpoložljivostjo kisika.

Najpomembnejši dejavniki, ki vplivajo na jamkasto korozijo

Kako izbrati material za jamkasto korozijo?

V rahlo agresivnih okoljih so lahko zadostna standardna avstenitna jekla, kot sta 304L ali 316L.
Pri višjih koncentracijah kloridov in višjih temperaturah se uporabljajo materiali z višjo vsebnostjo kroma, molibdena in dušika, na primer:

• 904L / 1.4539,
• dupleks 2205 / 1.4462,
• superdupleks 2507 / 1.4410,
• 254 SMO / 1.4547,
• Zlitina 926 / 1.4529,
• AL-6XN / UNS N08367.

Nikljeve zlitine se uporabljajo tudi v posebej agresivnih okoljih, vključno z zlitino 625, zlitino 825, zlitino C-276, zlitino 22 in zlitino 59.
Vendar to ne pomeni, da je material z višjim PREN samodejno boljši v vsakem okolju. PREN opisuje predvsem dovzetnost za lokalne napade, povezane s pasivizacijo in kloridi, vendar ne upošteva vseh korozijskih mehanizmov ali učinkov vseh kemičnih komponent.

vsota

Jamkasta korozija je lokalizirana oblika korozije, ki lahko kljub majhni skupni izgubi materiala povzroči hitro perforacijo komponente.
Najpomembnejši dejavniki, ki prispevajo k nastanku jamic, vključujejo:

• kloridi,
• visoka temperatura,
• nizek pH,
• usedline in stagnacija medija,
• gradbenih vrzeli,
• poškodovana ali onesnažena površina,
• nepravilno izdelani in očiščeni zvari.

Odpornost različnih razredov je mogoče najprej primerjati z indeksom PREN, laboratorijsko odpornost na lokalni začetek korozije pa med drugim določamo s CPT in CCT ter s testi v skladu z ASTM G48 in ASTM G150.
Pri pravilni izbiri materiala je treba upoštevati PREN, temperaturo, vsebnost kloridov, pH, kemično sestavo medija, stanje površine, varjenje in zasnovo montaže.

Korozija se lahko pojavi prek različnih mehanizmov, odvisno od materiala, okolja in obratovalnih pogojev. Spoznajte druge vrste korozije:

Vrste korozije jekla in kovin

Enakomerna korozija jekla in kovin
Jamkasta korozija nerjavnih jekel
Špražna korozija nerjavnih jekel
Medkristalna korozija nerjavečega jekla
Razpoke v SCC-ju zaradi napetostne korozije
Galvanska korozija
Erozijska korozija
Kavitacijska korozija
Korozijska utrujenost
Korozija s trenjem
Mikrobiološka korozija MIC
Visokotemperaturna korozija

Delitev korozije glede na okolje

Morska korozija – korozija jekla in kovin v morski vodi
Atmosferska korozija
Korozija tal
Korozija v sladki in industrijski vodi
Korozija v kloridnih okoljih
Korozija v kislem okolju
Korozija v alkalnih okoljih
Korozija v plinih in izpušnih plinih
Korozija v kanalizacijskih in kanalizacijskih sistemih
Korozija v kemičnem in petrokemičnem okolju

Sorodne teme

CPT – kritična temperatura jamkaste korozije nerjavnih jekel in nikljevih zlitin
PREN – indeks odpornosti proti koroziji z jamičasto korozijo za nerjaveče jeklo
CCT – Kritična temperatura špranjske korozije nerjavnih jekel in nikljevih zlitin