Sự ăn mòn trong các môi trường khác nhau – sự ăn mòn do môi trường gây ra đối với kim loại và thép

Ăn mòn do môi trường bao gồm các quá trình suy thoái của kim loại và hợp kim xảy ra dưới ảnh hưởng của các điều kiện môi trường như khí quyển, nước biển, nước ngọt, đất và môi trường chứa clorua, axit và kiềm. Sự ăn mòn kim loại không chỉ phụ thuộc vào loại vật liệu mà còn phụ thuộc vào môi trường hoạt động. Cùng một loại thép có thể duy trì khả năng chống ăn mòn cao trong nhiều năm ở điều kiện khí quyển ôn hòa, nhưng trong môi trường chứa clorua, axit, nhiệt độ cao hoặc cặn bẩn, nó có thể bị ăn mòn cục bộ hoặc toàn bộ mạnh. Môi trường ăn mòn quyết định, trong số những yếu tố khác, độ ổn định của lớp thụ động của thép không gỉ, tốc độ phản ứng điện hóa và khả năng hình thành các vết rỗ, vết nứt, ăn mòn điện hóa, ăn mòn do vi sinh vật (MIC) và ăn mòn ứng suất (SCC). Do đó, việc lựa chọn vật liệu phù hợp đòi hỏi phải phân tích không chỉ mác thép và thành phần hóa học của nó mà còn cả các điều kiện hoạt động thực tế.

Môi trường ăn mòn và cơ chế ăn mòn

Các thuật ngữ như ăn mòn biển, ăn mòn khí quyển, ăn mòn đất hoặc ăn mòn trong nước chủ yếu mô tả... môi trường ăn mònKhông nên nhầm lẫn chúng với các cơ chế hoặc hình thức phá hủy như ăn mòn rỗ, ăn mòn khe hở, ăn mòn điện hóa hoặc ăn mòn giữa các hạt.
Một số cơ chế ăn mòn có thể cùng tồn tại trong một môi trường duy nhất. Ví dụ, sự hiện diện của clorua trong nước biển có thể thúc đẩy ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở của thép không gỉ, sự tiếp xúc giữa các kim loại khác nhau có thể gây ra ăn mòn điện hóa, màng sinh học có thể góp phần vào sự phát triển của ăn mòn vi sinh vật (MIC), và sự kết hợp thích hợp giữa ứng suất, nhiệt độ và môi trường clorua có thể dẫn đến nứt ăn mòn do ứng suất (SCC).

Sự ăn mòn trong môi trường biển

Môi trường biển là một trong những môi trường hoạt động khắc nghiệt nhất đối với nhiều vật liệu kết cấu. Nước biển chứa một lượng lớn clorua, có thể làm mất ổn định lớp thụ động của thép không gỉ và thúc đẩy sự phát triển của ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở.

Tuy nhiên, điều kiện ăn mòn không đồng nhất trên toàn bộ cấu trúc biển. Các vật liệu ngâm vĩnh viễn trong nước có phản ứng khác nhau khi hoạt động ở vùng triều, vùng sóng vỗ hoặc khí quyển ven biển. Nhiệt độ, vận tốc dòng chảy, độ bão hòa oxy, màng sinh học, trầm tích và sự tiếp xúc với các kim loại khác cũng đóng vai trò quan trọng.
Trong các ứng dụng hàng hải đòi hỏi khắt khe hơn, thay vì thép austenit tiêu chuẩn, thép song pha và siêu song pha, người ta sử dụng thép austenit hợp kim cao loại 6Mo và các hợp kim niken được lựa chọn phù hợp.

Ăn mòn khí quyển

Ăn mòn khí quyển xảy ra trên các bề mặt kim loại tiếp xúc với không khí và lớp hơi ẩm hình thành trên chúng. Cường độ của quá trình này phụ thuộc chủ yếu vào thời gian làm ướt bề mặt, độ ẩm, nhiệt độ và sự hiện diện của muối và các chất gây ô nhiễm.
Môi trường nông thôn với mức độ ô nhiễm thấp thường ít gây hại hơn nhiều so với môi trường công nghiệp hoặc ven biển. Gần biển, hơi muối biển góp phần tạo ra clorua, trong khi ở môi trường công nghiệp, các hợp chất lưu huỳnh và các chất ô nhiễm khác có thể đóng vai trò bổ sung.
Bụi, muối và các chất gây ô nhiễm khác có thể giữ ẩm và tạo ra các điều kiện cục bộ thuận lợi cho sự ăn mòn. Do đó, tình trạng bề mặt, thiết kế cho phép rửa trôi tự nhiên và việc vệ sinh định kỳ có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ bền của các bộ phận.

ăn mòn đất

Lòng đất là một môi trường vô cùng phức tạp và không đồng nhất. Sự ăn mòn các công trình ngầm chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ ẩm, thành phần hóa học của đất, hàm lượng clorua và sulfat, độ pH, độ dẫn điện, lượng oxy sẵn có, hoạt động của vi sinh vật và sự hiện diện của dòng điện lạc.
Tính không đồng nhất của đất có thể dẫn đến sự khác biệt cục bộ về điều kiện điện hóa trên bề mặt của cùng một bộ phận. Cần đặc biệt chú ý đến đường ống, bể chứa, công trình ngầm và các điểm chuyển tiếp giữa các loại đất khác nhau.
Đối với các công trình ngầm, việc lựa chọn vật liệu chỉ là một yếu tố trong công tác bảo vệ. Tùy thuộc vào cấu trúc và điều kiện, các lớp phủ phù hợp, bảo vệ catốt và kiểm soát dòng điện rò rỉ cũng được sử dụng.

Sự ăn mòn trong nước ngọt và nước công nghiệp

Thuật ngữ "nước" không mô tả một môi trường ăn mòn duy nhất. Nước uống, nước sông, nước giếng, nước làm mát, nước nồi hơi và nước dùng trong công nghiệp có thể khác nhau đáng kể về thành phần hóa học và tính ăn mòn.
Các thông số quan trọng nhất bao gồm hàm lượng clorua, pH, nhiệt độ, độ bão hòa oxy, độ cứng, độ dẫn điện, sự hiện diện của cặn lắng, và sự hiện diện của chất ức chế, chất diệt khuẩn và các chất phụ gia công nghệ khác. Điều kiện dòng chảy cũng rất quan trọng. Sự ứ đọng có thể thúc đẩy sự hình thành cặn lắng, màng sinh học và sự chênh lệch độ bão hòa oxy cục bộ, trong khi tốc độ dòng chảy rất cao trong một số điều kiện nhất định có thể làm tăng nguy cơ xói mòn và ăn mòn do xói mòn.
Đối với thép không gỉ, cần đặc biệt chú ý đến clorua. Khi nồng độ và nhiệt độ của chúng tăng lên, nguy cơ ăn mòn cục bộ cũng tăng theo, và khả năng chống ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở của vật liệu, cũng như các thông số như PREN, CPT và CCT, trở nên ngày càng quan trọng.

Ăn mòn trong môi trường clorua

Các clorua là một trong những yếu tố quan trọng nhất hạn chế việc sử dụng thép không gỉ. Chúng có thể làm mất ổn định cục bộ lớp thụ động và dẫn đến sự hình thành ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở. Trong điều kiện thích hợp, clorua cũng có thể góp phần gây ra nứt ăn mòn do ứng suất (SCC).
Rủi ro không thể được đánh giá chỉ dựa trên nồng độ clorua. Nhiệt độ, độ pH, điện thế điện hóa, sự hiện diện của các khe nứt và trầm tích, và điều kiện bề mặt đều là những yếu tố quan trọng. Do đó, nồng độ clorua cho phép đối với một loài nhất định không phải là một giá trị duy nhất, phổ quát áp dụng trong mọi điều kiện.
Khả năng chống ăn mòn cục bộ của thép không gỉ trong môi trường clorua tăng lên chủ yếu khi hàm lượng crom, molypden và nitơ thích hợp. Chỉ số PREN được sử dụng để so sánh vật liệu ban đầu, trong khi khả năng chống ăn mòn cục bộ trong phòng thí nghiệm có thể được đánh giá thêm bằng cách sử dụng CPT và CCT.

Ăn mòn trong môi trường axit

Môi trường axit có thể gây ra hiện tượng ăn mòn tổng quát mạnh nếu lớp thụ động của vật liệu không ổn định trong điều kiện nhất định. Tuy nhiên, không có một khả năng "chống axit" duy nhất, phổ quát nào. Hành vi của vật liệu phụ thuộc vào loại axit, nồng độ của nó, nhiệt độ, sự hiện diện của oxy và các chất oxy hóa khác, và các chất gây ô nhiễm, bao gồm cả ion clorua.
Axit sulfuric, axit clohidric, axit photphoric, axit nitric, axit axetic và axit formic tạo ra các môi trường ăn mòn khác nhau. Một vật liệu có khả năng chống chịu cao với một loại axit này chưa chắc đã có khả năng chống chịu tương tự với loại axit khác. Axit clohidric đặc biệt ăn mòn nhiều loại thép không gỉ vì nó kết hợp môi trường axit với hoạt tính clorua cao.
Khi lựa chọn vật liệu sử dụng trong môi trường axit, cần phải xem xét hệ thống cụ thể: vật liệu – axit – nồng độ – nhiệt độ – chất gây ô nhiễm. Trên thực tế, biểu đồ đẳng ăn mòn được sử dụng, trong số những ứng dụng khác, để xác định tốc độ ăn mòn tùy thuộc vào nhiệt độ và nồng độ của môi trường đã cho.

Ăn mòn trong môi trường kiềm

Nhiều loại thép không gỉ có khả năng chống chịu tốt với môi trường kiềm vừa phải, nhưng kiềm nồng độ cao, đặc biệt là ở nhiệt độ cao, có thể gây ăn mòn. Loại kiềm, nồng độ, nhiệt độ và sự hiện diện của các tạp chất khác là những yếu tố quan trọng cần xem xét.

Ví dụ điển hình là natri hydroxit (NaOH), được sử dụng trong nhiều quy trình hóa học. Tùy thuộc vào nồng độ và nhiệt độ, vật liệu được lựa chọn không phù hợp có thể dễ bị ăn mòn nhanh hoặc một số dạng nứt do ăn mòn ứng suất. Cũng như trong môi trường axit, việc đánh giá khả năng chống ăn mòn cần dựa trên các điều kiện quy trình cụ thể, chứ không chỉ đơn thuần là thuật ngữ "môi trường kiềm".

Sự ăn mòn trong khí và khí thải

Môi trường khí và khí thải có thể gây ăn mòn kim loại cả khi có hơi ẩm và nước ngưng tụ, cũng như ở nhiệt độ cao. Mức độ ăn mòn của môi trường được xác định bởi các yếu tố như nhiệt độ, hàm lượng hơi nước, oxy, các hợp chất lưu huỳnh, clo và các thành phần khí khác, và khả năng ngưng tụ của chúng trên bề mặt kim loại. Các khu vực có nhiệt độ bề mặt giảm xuống dưới điểm sương và hình thành nước ngưng tụ chứa các sản phẩm cháy hòa tan có thể đặc biệt nguy hiểm. Tùy thuộc vào điều kiện, ăn mòn tổng thể, ăn mòn cục bộ, ăn mòn do ngưng tụ và ăn mòn ở nhiệt độ cao có thể xảy ra. Việc lựa chọn vật liệu cần xem xét cả thành phần khí, nhiệt độ hoạt động và nhiệt độ bề mặt của chi tiết.

Sự ăn mòn trong hệ thống nước thải và cống rãnh

Nước thải và hệ thống xử lý nước thải tạo ra một môi trường ăn mòn phức tạp, nơi clorua, sulfat, sunfua, các hợp chất hữu cơ, độ pH thay đổi, trầm tích và vi sinh vật có thể cùng tồn tại. Điều đặc biệt quan trọng là khả năng ăn mòn do vi sinh vật (MIC) và sự hình thành hydro sunfua (H₂S) trong điều kiện kỵ khí. Trong không gian phía trên nước thải, H₂S có thể bị oxy hóa bởi các quá trình sinh học thành các hợp chất tạo ra môi trường có tính axit cao, đây là vấn đề đặc biệt nghiêm trọng đối với các cấu kiện bê tông và kim loại của cơ sở hạ tầng xử lý nước thải. Môi trường tù đọng, trầm tích, màng sinh học và sự khác biệt về oxy hóa có thể thúc đẩy thêm sự ăn mòn cục bộ. Việc lựa chọn vật liệu cần phải tính đến thành phần nước thải thực tế, nhiệt độ, độ pH, clorua, các hợp chất lưu huỳnh, điều kiện dòng chảy và hoạt động vi sinh vật.

Sự ăn mòn trong môi trường hóa chất và hóa dầu

Các nhà máy hóa chất và hóa dầu nằm trong số những môi trường ăn mòn đa dạng nhất. Vật liệu có thể tiếp xúc với axit, bazơ, clorua, hydro sunfua (H₂S), carbon dioxide (CO₂), các hợp chất lưu huỳnh, dung môi, nước xử lý và hỗn hợp nhiều hóa chất. Những điều kiện này có thể dẫn đến ăn mòn tổng quát và cục bộ, nứt ăn mòn do ứng suất (SCC), ăn mòn dưới lớp cặn và các cơ chế phụ thuộc vào quy trình khác. Khả năng chống ăn mòn của vật liệu không chỉ được xác định bởi thành phần hóa học của môi trường mà còn bởi nồng độ, nhiệt độ, áp suất, hàm lượng nước, lưu lượng, chất gây ô nhiễm và ứng suất bên trong cấu trúc. Trong môi trường khắc nghiệt hơn, thép song pha và siêu song pha, thép austenit hợp kim cao và hợp kim niken được lựa chọn phù hợp được sử dụng ngoài thép không gỉ tiêu chuẩn. Việc lựa chọn vật liệu luôn phải dựa trên điều kiện quy trình thực tế, vì các thuật ngữ chung "môi trường hóa chất" hoặc "hóa dầu" không cho phép đánh giá duy nhất về rủi ro ăn mòn.

Các yếu tố quan trọng nhất quyết định tính chất hung hăng của môi trường

Bất kể loại môi trường nào, có một số thông số có ảnh hưởng đặc biệt mạnh mẽ đến quá trình ăn mòn:

• nhiệt độ – Việc tăng nhiệt độ thường đẩy nhanh các phản ứng điện hóa và có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn cục bộ.
• pH – ảnh hưởng đến độ ổn định của lớp thụ động và diễn tiến của các phản ứng điện hóa.
• clorua và các halogenua khác – là một trong những yếu tố quan trọng nhất gây ra hiện tượng ăn mòn cục bộ của thép không gỉ.
• oxy và các chất oxy hóa khác – ảnh hưởng đến điện thế điện hóa và khả năng duy trì lớp thụ động,
• dòng chảy trung bình – Có thể cải thiện quá trình truyền khối, nhưng ở tốc độ cao và khi có mặt các hạt, nó cũng có thể làm tăng nguy cơ ăn mòn do xói mòn.
• trầm tích và khe nứt – Tạo ra các môi trường cục bộ khác biệt với môi trường chính và thúc đẩy sự ăn mòn khe hở.
• vi sinh vật – Màng sinh học và hoạt động vi sinh vật có thể ảnh hưởng đến các điều kiện điện hóa cục bộ và sự phát triển của MIC.
• sự tiếp xúc của các kim loại khác nhau – Khi có mặt chất điện giải, nó có thể dẫn đến sự hình thành pin điện hóa.
• nhấn mạnh – khi kết hợp với một số điều kiện môi trường nhất định có thể dẫn đến hiện tượng nứt do ăn mòn ứng suất (SCC).

Lựa chọn vật liệu cho môi trường ăn mòn

Không có một loại thép không gỉ nào là tốt nhất cho mọi môi trường. Các loại thép không gỉ phổ biến như 304L và 316L phù hợp với nhiều ứng dụng, nhưng khả năng chống ăn mòn của chúng có thể không đủ trong môi trường clorua ấm, nước biển, axit mạnh hoặc các cấu trúc đặc biệt dễ bị ăn mòn khe hở.

Khi mức độ tác động của môi trường ngày càng gia tăng, các loại thép hợp kim cao như 904L, thép song pha và siêu song pha, thép austenit 6Mo như 1.4547 và 1.4529, và các hợp kim niken được lựa chọn phù hợp được sử dụng. Tuy nhiên, hàm lượng hợp kim cao hơn không tự động có nghĩa là vật liệu đó sẽ là giải pháp tốt nhất trong mọi môi trường.

Việc lựa chọn cần tính đến thành phần hóa học của môi trường, nhiệt độ, độ pH, nồng độ clorua, điều kiện dòng chảy, sự hiện diện của các vết nứt và cặn lắng, ứng suất, công nghệ xây dựng và thời gian vận hành dự kiến.

Cần phải phân tích đồng thời môi trường và vật liệu.

Khả năng chống ăn mòn không phải là một đặc tính có thể được mô tả đầy đủ bằng một thuật ngữ duy nhất như "thép chống ăn mòn". Một vật liệu có thể chống hoặc dễ bị ăn mòn tùy thuộc vào môi trường và điều kiện hoạt động cụ thể.

Do đó, khi thiết kế một công trình, cần phải phân tích toàn bộ hệ thống: vật liệu – môi trường – nhiệt độ – thiết kế – phương pháp thi công – điều kiện vận hành . Chỉ có cách tiếp cận này mới cho phép đánh giá đúng rủi ro ăn mòn và lựa chọn vật liệu có độ bền cần thiết.

Sự ăn mòn kim loại trong các môi trường khác nhau

Mỗi môi trường ăn mòn riêng biệt đòi hỏi phân tích riêng. Các bài báo sau đây cung cấp mô tả chi tiết về cơ chế ăn mòn, các yếu tố rủi ro và nguyên tắc lựa chọn vật liệu cho các điều kiện sau:

Ăn mòn trong môi trường biển – sự ăn mòn của thép và kim loại trong nước biển
Ăn mòn khí quyển
ăn mòn đất
Sự ăn mòn trong nước ngọt và nước công nghiệp
Ăn mòn trong môi trường clorua
Ăn mòn trong môi trường axit
Ăn mòn trong môi trường kiềm
Sự ăn mòn trong khí và khí thải
Sự ăn mòn trong hệ thống nước thải và cống rãnh
Sự ăn mòn trong môi trường hóa chất và hóa dầu

Môi trường hoạt động là một trong những yếu tố cơ bản quyết định độ bền của kim loại và hợp kim. Không khí, đất, nước biển, nước công nghiệp, clorua, axit và bazơ có thể tạo ra các điều kiện ăn mòn hoàn toàn khác nhau và kích hoạt các cơ chế suy thoái vật liệu khác nhau.
Do đó, chỉ biết loại vật liệu thôi là chưa đủ để đánh giá độ bền của nó. Việc lựa chọn đúng đắn đòi hỏi phải xác định các điều kiện hoạt động thực tế và nhận diện các cơ chế ăn mòn có thể xảy ra. Chỉ khi kết hợp kiến ​​thức về vật liệu và môi trường mới cho phép đánh giá chính xác khả năng chống ăn mòn của một công trình.

Các loại ăn mòn của thép và kim loại

Sự ăn mòn có thể xảy ra thông qua nhiều cơ chế khác nhau, tùy thuộc vào vật liệu, môi trường và điều kiện hoạt động. Xem thêm các loại ăn mòn khác:
Sự ăn mòn đồng đều của thép và kim loại
Ăn mòn rỗ trên thép không gỉ
Ăn mòn khe hở của thép không gỉ
Ăn mòn giữa các hạt của thép không gỉ
Nứt ăn mòn do ứng suất (SCC)
Ăn mòn điện hóa
Ăn mòn do xói mòn
ăn mòn do xâm thực
Mỏi do ăn mòn
Ăn mòn do ma sát
Ăn mòn vi sinh vật (MIC)
Ăn mòn ở nhiệt độ cao

Các chủ đề liên quan

CPT – nhiệt độ ăn mòn rỗ tới hạn của thép không gỉ và hợp kim niken
PREN – chỉ số khả năng chống ăn mòn rỗ của thép không gỉ
CCT – Nhiệt độ ăn mòn khe hở tới hạn của thép không gỉ và hợp kim niken