Морська корозія – корозія сталі та металів у морській воді

Морська корозія – це термін, який використовується для опису корозійних процесів, що відбуваються в морському середовищі, охоплюючи як безпосередній контакт з морською водою, так і вплив прибережної атмосфери, сольового туману, припливно-відпливної зони та зони бризок. Це не єдиний, окремий механізм корозії. Серед іншого, у морському середовищі можуть одночасно відбуватися рівномірна корозія, точкова корозія, щілинна корозія, гальванічна корозія, ерозивна корозія, мікробна корозія (МІК) та – за відповідних умов матеріалу, температури та напруження – корозія під напругою (КНН).
Морська вода є особливо вимогливим середовищем для будівельних матеріалів через високий вміст хлоридів, добру електропровідність, наявність кисню, біологічну активність та потенціал для утворення осаду та щілин. Фактична агресивність середовища також визначається температурою, швидкістю потоку, насиченістю киснем, забрудненнями, методом хлорування води та геометрією конструкції.

Чому морська вода викликає корозію?

Одним з найважливіших факторів, що відповідають за агресивність морської води, є високий вміст іонів хлориду (Cl⁻). Хлориди можуть локально дестабілізувати пасивний шар, що захищає поверхню нержавіючої сталі, і призводити до виникнення точкової та щілинної корозії.
Морська вода також є електролітом з відносно високою провідністю. Це сприяє електрохімічним процесам, зокрема утворенню гальванічних елементів між різнорідними металами. Контакт між двома матеріалами з різними електрохімічними потенціалами може призвести до прискореної корозії матеріалу, який діє як анод.
Природна морська вода також є біологічно активним середовищем. Біоплівки, що утворюються на поверхнях, можуть змінювати локальні електрохімічні умови та збільшувати ризик локальної корозії. Тому поведінка нержавіючої сталі в природній морській воді може відрізнятися від поведінки в простих лабораторних розчинах хлоридів.

Зони корозії в морському середовищі

Агресивність морського середовища неоднорідна по всій конструкції. Компонент, постійно занурений у воду, працює в інших умовах, ніж той, що знаходиться в припливній зоні, зоні бризок або прибережній атмосфері.

зона	Характеристики навколишнього середовища	Найважливіші загрози корозії
Морська атмосфера	сольовий туман, волога, періодичне зволоження та висихання поверхні	атмосферна, локальна, точкова та щілинна корозія
Зона бризок	часте зволоження морською водою, інтенсивний доступ кисню, періодичне висихання та концентрація солі	інтенсивна корозія, локальна та гальванічна корозія
Міжприпливна зона	чергування занурення та експозиції поверхні	локальна корозія, відмінності в оксигенації, біоплівка
Постійне занурення	постійний контакт з морською водою, хлоридами, біоплівкою та осадовими відкладеннями	точкова різьба, щілинний, гальванічний та мікрофонний
Відкладення та тріщини	обмежений обмін середовищами та формування локального мікросередовища	щілинна та локальна корозія

Точкова корозія в морській воді

Точкова корозія є однією з найважливіших загроз для нержавіючих сталей, що працюють у морському середовищі. Пасивний шар може бути локально пошкоджений хлоридами, залишаючи невелику активну зону, де може розвиватися точкова корозія.
Процес може розвиватися локально з дуже незначною втратою маси по всьому компоненту. Таким чином, глибока виїмка може перфорувати тонкостінний компонент, навіть якщо більша частина поверхні все ще виглядає неушкодженою.
Ризик точкової корозії залежить, серед іншого, від типу матеріалу, температури, концентрації хлоридів, електрохімічного потенціалу, стану поверхні, наявності відкладень та біологічної активності.

Щілинна корозія в морському середовищі

Щілинна корозія може розвиватися під прокладками, шайбами, відкладеннями, у фланцевих, різьбових та нахлесточних з'єднаннях, а також в інших місцях, де утруднений водообмін з навколишнім середовищем.
Усередині тріщини змінюється хімічний склад локального середовища. Споживання кисню, міграція іонів та гідроліз продуктів корозії можуть призвести до підкислення розчину та збільшення локальної концентрації хлоридів. Умови всередині тріщини тоді стають значно агресивнішими, ніж у воді поза нею.
З цієї причини стійкість матеріалу до щілинної корозії є особливо важливою в конструкціях, що експлуатуються в морській воді. Параметром, який використовується для порівняння цієї стійкості в лабораторії, є критична температура щілинної корозії (CCT).

Гальванічна корозія в морській воді

Висока електропровідність морської води сприяє гальванічній корозії. Якщо два різнорідних метали перебувають в електричному контакті та одночасно занурюються в морську воду, може утворитися гальванічний елемент. Матеріал з більш активним потенціалом стає анодом, і його корозія може прискоритися.
Важливий не лише тип матеріалів, що з'єднуються, але й співвідношення площі поверхні катода до площі поверхні анода. Це особливо несприятливо, коли невелика площа поверхні анодного матеріалу з'єднується з великою площею поверхні більш благородного матеріалу.
Тому під час проектування морських конструкцій необхідно проаналізувати всі з'єднання між різними матеріалами, кріпленнями, зварними швами та можливість електричного з'єднання конструкції з іншими металевими елементами.

Біоплівка та мікробна корозія MIC

Поверхні, занурені в природну морську воду, колонізуються мікроорганізмами, які утворюють біоплівки. Біоплівки можуть змінювати хімічні та електрохімічні умови на поверхні металу, спричиняючи різницю в оксигенації та впливаючи на електрохімічний потенціал нержавіючої сталі.
Таким чином, біологічна активність може збільшити схильність деяких матеріалів до точкової та щілинної корозії. Явища, пов'язані з мікробною активністю, називаються корозією, що піддається мікробіологічному впливу (МІК), або корозією, що піддається мікробіологічному впливу.
Ризик МІК особливо значний у природних установках з морською водою, при низьких швидкостях потоку, під час зупинок та в місцях, що сприяють накопиченню осаду та розвитку біоплівки.

Вплив потоку морської води

Швидкість потоку може як обмежувати, так і посилювати конкретні загрози корозії. Адекватний потік може перешкоджати накопиченню осаду та розвитку певних локальних умов, що сприяють корозії. З іншого боку, застійна вода може сприяти утворенню біоплівки, седиментації та локальному дисбалансу оксигенації.
За дуже високих швидкостей потоку, турбулентності або наявності твердих частинок механічний вплив на поверхню може стати більш значним. У певних системах це призводить до ерозії або ерозійної корозії. Особливо вразливими можуть бути вигини трубопроводів, клапани, насоси, звуження та ділянки раптових змін напрямку потоку.

Температурний вплив

Температура є одним з найважливіших параметрів, що впливають на стійкість нержавіючих сталей у хлоридних середовищах. Зі збільшенням температури може зростати схильність матеріалу до точкової та щілинної корозії.
Лабораторна характеристика стійкості матеріалів використовує такі параметри, як критична температура точкової корозії (CPT) та критична температура щілинної корозії (CCT). Ці параметри визначаються за певних умов випробувань і не повинні вважатися універсальними максимальними робочими температурами для матеріалів у морській воді.

PREN та стійкість до морського середовища

Еквівалентне число стійкості до точкової корозії (PREN) використовується для початкового порівняння стійкості нержавіючих сталей до точкової корозії. У своїй поширеній формі, для багатьох нержавіючих сталей, воно розраховується на основі вмісту хрому, молібдену та азоту:

PREN = %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N

Збільшення вмісту хрому, молібдену та азоту зазвичай покращує локальну корозійну стійкість у хлоридних середовищах. Однак PREN є показником, що базується на складі, і не враховує всі фактори, що визначають експлуатаційні характеристики матеріалу в реальному морському середовищі.
Він не враховує геометрію зазору, якість поверхні, зварювання, біоплівку, умови потоку або питомий електрохімічний потенціал, серед інших факторів. Тому PREN слід розглядати як порівняльний інструмент, а не як окремий критерій для затвердження матеріалу для використання в морській воді.

Нержавіючі сталі та сплави, що використовуються в морському середовищі

Вибір матеріалу залежить від типу впливу. Матеріал, придатний для споруди, розташованої в прибережній атмосфері, не обов'язково підійде для постійного занурення в природну морську воду. Щілини, температура, хлорування, потік та потенційне забруднення також є важливими факторами.

матеріал	Приклад маркування	Характеристики використання в морському середовищі
304 / 304л	1.4301 / 1.4307	обмежена стійкість у середовищах з високим вмістом хлоридів; нетиповий матеріал для постійного контакту з морською водою
316 / 316л	1.4401 / 1.4404	часто використовується в морському середовищі; при постійному зануренні в морську воду існує значний ризик точкової та щілинної корозії
904L	1.4539 / UNS N08904	вища стійкість до локальної корозії, ніж у 316L, але використання в природній морській воді вимагає оцінки конкретних умов, зокрема зазорів та температури
Duplex 2205	1.4462 / UNS S32205	значно вища стійкість до локалізованої та хлоридної корозії, ніж 316L; використовується на багатьох водоочисних та опріснювальних установках, але не слід вважати безумовно стійкою до всіх природних умов морської води
Супердуплекс 2507	1.4410 / UNS S32750	Дуже висока стійкість до точкової та щілинної корозії; широко використовується у вимогливих морських та шельфових умовах застосування
254 SMO	1.4547 / UNS S31254	високолегована аустенітна сталь типу 6Mo з високою стійкістю до місцевої корозії; використовується в складних хлоридних середовищах та морській воді
Alloy 926	1.4529 / UNS N08926	високолегована аустенітна сталь типу 6Mo з високою стійкістю до точкової та щілинної корозії в хлоридних середовищах
Нікелеві сплави	наприклад, сплав 625, C-276	використовується в особливо агресивних умовах, коли стійкість нержавіючої сталі недостатня; вибір залежить від повного складу середовища та умов експлуатації

У таблиці наведено загальні характеристики груп матеріалів і вона не є самостійною основою для вибору матеріалів. У фактичному монтажі слід враховувати такі фактори, як температура, насиченість киснем, хлорування, швидкість потоку, можливість утворення тріщин та відкладень, стан поверхні, конструкція зварного шва та необхідний термін служби.

316L та морська вода – поширена помилка матеріалу

Сталь 316L зазвичай асоціюється з морським застосуванням через наявність молібдену та її вищу стійкість до локальної корозії, ніж у сталей типу 304. Однак це не означає, що 316L є універсальним матеріалом, стійким до морської води.
Сталь 316L добре працює в багатьох атмосферних умовах та за помірного впливу хлоридів. Однак вона може бути схильною до точкової та щілинної корозії при тривалому зануренні в природну морську воду. Ризик особливо високий у щілинах, під осадом та в умовах, що сприяють біологічній активності.
Таким чином, термін «морська сталь» стосовно 316L може вводити в оману, якщо не вказано фактичні умови експлуатації.

Дуплекс та супердуплекс у морських застосуваннях

Дуплексні сталі поєднують феритну та аустенітну структури, забезпечуючи високу механічну міцність та добру стійкість до багатьох форм корозії в хлоридному середовищі. Дуплексна сталь 2205 демонструє значно вищу стійкість до локалізованої корозії та хлоридного розтріскування під напругою, ніж стандартні аустенітні сталі 316L.
Супердуплексні сталі, такі як 1.4410 / UNS S32750, використовуються в найвимогливіших морських сферах застосування. Їхній високий вміст хрому, молібдену та азоту забезпечує високе значення PREN та дуже добру стійкість до точкової та щілинної корозії.
Супердуплекс використовується в таких сферах застосування, як морські установки, системи морської води, теплообмінники, трубопроводи, системи пожежогасіння, опріснювальні установки та інші споруди, що працюють у середовищі з високим вмістом хлоридів.

Сталі 6Mo у морській воді

Найбільш локалізованими корозійностійкими аустенітними сталями є сталі 6Mo, які містять приблизно 6% молібдену та підвищений вміст хрому та азоту. Прикладами є 1.4547 / UNS S31254 та 1.4529 / UNS N08926.
Порівняно зі сталлю 316L, ці матеріали демонструють значно вищу стійкість до точкової та щілинної корозії. Це робить їх придатними для таких застосувань, як установки морської води, опріснювальні установки, теплообмінники та хімічна промисловість.

Хлорування морської води

Хлорування використовується в системах морської води для контролю росту організмів та біоплівки. Така обробка може зменшити біологічні проблеми, але також змінює електрохімічні властивості навколишнього середовища.
Хлор та окислювачі можуть підвищувати електрохімічний потенціал нержавіючої сталі, що за певних умов може збільшити схильність до точкової та щілинної корозії. Тому вибір матеріалу для хлорованої морської води повинен враховувати спосіб дозування окислювача, концентрацію, температуру та час впливу.

Морська корозія та вплив зварювання та стану поверхні

Опір основного матеріалу не гарантує такої ж стійкості всієї готової конструкції. Процес зварювання може спричинити мікроструктурні зміни, термічну зміну кольору та локальні зміни складу поверхневого шару.
Знебарвлення зварного шва та забруднення поверхні можуть знизити стійкість до локальної корозії. Тому у вимогливих конструкціях з нержавіючої сталі важливі правильні параметри зварювання, відповідний присадний матеріал та належне очищення поверхні після зварювання, включаючи видалення знебарвлення та відновлення належного стану поверхні.

Як зменшити ризик морської корозії?

Захист конструкцій від корозії в морському середовищі не повинен покладатися виключно на використання легованих матеріалів. Правильне проектування та експлуатація установки не менш важливі.

вибрати матеріал для фактичного типу впливу, а не лише для терміна «морське середовище»,
обмежити щілини та місця накопичення осадових відкладень,
уникати несприятливих гальванічних з'єднань різних металів,
забезпечити належне виконання та очищення стиків,
контролювати потік та зменшувати тривалий застій води,
враховувати температуру та спосіб хлорування води,
контролювати розвиток біоплівки та осаду,
використовувати захисні покриття або катодний захист у відповідних конструкціях,
враховуйте можливість концентрації хлоридів внаслідок випаровування, висихання або утворення відкладень.

Як вибрати матеріал для морського середовища?

Вибір матеріалу слід починати з визначення фактичних умов експлуатації: чи буде компонент знаходитися в морській атмосфері, зоні бризок, припливно-відпливній зоні чи постійно зануреним. Потім слід врахувати температуру, потік, оксигенацію, хлорування, потенціал для утворення біоплівки та обростання, наявність щілин та контакт з іншими матеріалами.
Тільки на цій основі можна порівнювати доступні марки сталі. PREN може бути корисним як перший показник стійкості до точкової корозії, тоді як CPT та CCT надають додаткову інформацію про стійкість матеріалу до локалізованого початку корозії за певних умов випробувань.
Для критично важливих морських споруд вибір матеріалів повинен додатково ґрунтуватися на даних корозійних випробувань, досвіді експлуатації, вимогах відповідних стандартів та конкретних умовах монтажу.

Морська корозія є результатом одночасної взаємодії кількох факторів: хлоридів, кисню, температури, потоку, біоплівки, осадових утворень, структурної геометрії та контакту різних матеріалів. За таких умов можуть розвиватися різні форми корозії, насамперед точкова, щілинна, гальванічна та мікробна корозія (МІК).
Не існує єдиної марки нержавіючої сталі, що підходить для всіх морських застосувань. 316L може підходити для багатьох морських середовищ, але вона може бути схильна до локальної корозії при постійному зануренні в морську воду. Для більш вимогливих застосувань використовуються дуплексні, супердуплексні, високолеговані аустенітні сталі 6Mo та відповідно підібрані нікелеві сплави.
Основою для правильного вибору є аналіз всієї системи: матеріал – морська вода – температура – потік – конструкція – стан поверхні – спосіб експлуатації.

Види корозії сталі та металів

Рівномірна корозія сталі та металів
Точкова корозія нержавіючих сталей
Щілинна корозія нержавіючих сталей
Міжкристалічна корозія нержавіючої сталі
Корозійне розтріскування під напругою в умовах низькоміцного покриття (SCC)
Гальванічна корозія
Ерозійна корозія
Кавітаційна корозія
Корозійна втома
Фретінг-корозія
Мікробіологічна корозія MIC
Високотемпературна корозія

Поділ корозії за середовищем

Пов'язані теми

CPT – критична температура точкової корозії нержавіючих сталей та нікелевих сплавів
PREN – індекс стійкості до точкової корозії нержавіючої сталі
CCT – Критична температура щілинної корозії нержавіючих сталей та нікелевих сплавів