Ochrona metali przed korozją

Ochrona metali przed korozją – działania zmierzające do zmniejszenia bezpośrednich i pośrednich strat wskutek korozji metali, czyli procesów niszczenia ich struktury pod wpływem środowiska (np. powietrze, gazy przemysłowe, woda słodka i morska, grunt, w tym gleba).

Działania są podejmowane na etapie^[1][2]:

• projektowania urządzeń i instalacji – np. wybór materiałów konstrukcyjnych (np. stal kwasoodporna, stal żaroodporna), projektowanie urządzeń i instalacji (np. konstrukcja reaktorów i rurociągów, metody łączenia elementów, wybór systemu ochrony przeciwkorozyjnej)
• eksploatacji chronionych urządzeń i konstrukcji – np. osuszanie i oczyszczanie powierzchni narażonych na korozję, odnawianie izolacyjnych powłok ochronnych (np. malarskich), modyfikowanie składu środowiska (np. inhibitory), kontrola i regulacja systemów aktywnej elektrochemicznej ochrony przeciwkorozyjnej^[3][4][5]

Aktywna ochrona przed korozją elektrochemiczną może polegać na stosowaniu odrębnych elektrod, umieszczanych w środowisku korozji, lub takich powłok metalicznych, które powodują katodową polaryzację metalu chronionego lub polaryzację anodową – w przypadkach, gdy chroniony metal ulega pasywacji. W przypadku stosowania odrębnych elektrod (katod lub anod) są stosowane systemy z elektrodami trwałymi, zasilane z zewnętrznego źródła napięcia, lub protektory – wymienialne elektrody z materiału korodującego w kontakcie z metalem chronionym (system bez zewnętrznego źródła napięcia)^{[1][4][5][6][7]}.

Przeciwdziałanie korozji chemicznej

Pasywacja stali chromowej

Mechanizm pasywacji stali chromowej

Mechanizm repasywacji uszkodzonej powłoki

Metodą zmniejszania strat spowodowanych korozją chemiczną jest stosowanie^[8][9][10]:

• metali konstrukcyjnych o odpowiednio dobranym składzie chemicznym i strukturze, np. metale żaroodporne i żarowytrzymałe
• odpornych na działanie agresywnego środowiska powłok, np. malarskich lub metalicznych

Chemiczna odporność metali konstrukcyjnych i powłok metalicznych na działanie agresywnego środowiska jest często spowodowana pasywacją – powstawaniem szczelnych warstw produktów reakcji z czynnikami agresywnymi (np. tlenków). Takie warstwy ochronne powstają np. na stopach aluminium lub stali zawierającej takie dodatki stopowe jak chrom, krzem, aluminium.

Przeciwdziałanie korozji elektrochemicznej

Galwaniczna ochrona katodowa

Protektory obok śruby statku

Układ śruba statku-poszycie jest w wodzie morskiej ogniwem korozyjnym. Śruba statku jest katodą w stosunku do poszycia w jej otoczeniu (korodująca/rozpuszczająca się anoda). Ochronę poszycia zapewniają celowo montowane obok śruby dodatkowe elementy (protektory) - kształtki z materiału mniej szlachetnego, które przejmują funkcje anody. Po zużyciu są wymieniane na nowe^[4]

Nowe protektory cynkowe

(c) Zwergelstern, CC-BY-SA-3.0

Zużyty protektor

Elektrolityczna ochrona katodowa

Zasada ochrony rurociągów

Ochrona katodowa przed korozją atmosferyczną

Trwała anoda

Stacja regulacyjno–kontrolna

Elektrolityczna ochrona anodowa
Prąd z zewnętrznego źródła polaryzuje anodowo i pasywuje fragmenty powierzchni w miejscach nieszczelności powłoki wewnętrznej ściany zbiornika

Galwaniczna ochrona anodowa

Pasywacja uszkodzeń katodowej (szlachetnej) powłoki ochronnej

Wżer na rurociągu podziemnej instalacji gazowej przed i po piaskowaniu

Uszkodzenia katodowej powłoki metalicznej (nie chronionej anodowo) – przed czyszczeniem

Uszkodzenia katodowej powłoki metalicznej (nie chronionej anodowo) – po czyszczeniu

Możliwości ochrony metali przed korozją elektrochemiczną są bardziej zróżnicowane^{[4][5][6][9][10][11][12]}. W przypadku dużych instalacji i urządzeń, np. sieci rurociągów podziemnych, stalowych mostów, zbrojenia budowli z żelbetu lub instalacji technologicznych w przemyśle chemicznym decyzje dotyczące metod ochrony są podejmowane w czasie ich projektowania. Dotyczą rodzaju stosowanych metali konstrukcyjnych (np. dodatki stopowe, sposoby obróbki cieplnej i cieplno–chemicznej) oraz metod ich ochrony biernej (np. powłoki ochronne) i czynnej (ochrona elektrochemiczna). W pierwszej kolejności opracowuje się sposoby zminimalizowania zagrożeń, związanych z powstawaniem ogniw korozyjnych.

Unikanie zróżnicowania potencjałów

Wśród działań, których celem jest uniknięcie powstawania ogniw korozyjnych (lub zmniejszenie prawdopodobieństwa ich powstawania) wymienia się:

• unikanie bezpośrednich połączeń metali o różnych potencjałach standardowych (np. stosowanie nieprzewodzących uszczelek między kołnierzami łączonych rurociągów, podkładek pod łby śrub, dielektrycznych smarów między gwintem śruby i otworu)
• stosowanie materiałów o jak najbardziej równomiernym rozkładzie naprężeń w sieci krystalicznej (np. likwidacja przez wyżarzanie naprężeń spowodowanych obróbką plastyczną)
• unikanie sytuacji, w których chroniona konstrukcja znajduje się w środowisku o zróżnicowanych właściwościach (np. unikanie powstawania zastoin osadów w rurociągach, gromadzenia się wody opadowej i pyłów w określonych miejscach konstrukcji poddanych oddziaływaniom atmosferycznym, układania rurociągów, kabli, zbrojeń w gruncie o właściwościach zróżnicowanych pod względem wilgotności, kwasowości lub stopnia napowietrzenia)
• unikanie zróżnicowania naprężeń w skali konstrukcji
• modyfikowanie środowiska korozji (np. wilgotność, temperatura, inhibitory korozji}^[13]

Ochrona elektrochemiczna

Wyróżnia się grupy metod elektrochemicznej ochrony elektrolitycznej i galwanicznej.

Ochrona elektrolityczna^[5][6], np. rurociągów lub konstrukcji portowych, polega na stosowaniu zewnętrznego źródła napięcia, dzięki któremu metal chroniony staje się, opcjonalnie:

— katodą ogniwa, na której zachodzą reakcje redukcji depolaryzatora (np. tlenu; nie zachodzi utlenianie, połączone z rozpuszczaniem chronionej części konstrukcji)

— anodą ogniwa, na której zachodzą reakcje utleniania chronionego metalu, prowadzące do pasywacji (np. powstawanie szczelnych warstewek tlenków)

Ochrona galwaniczna (również katodowa lub anodowa) jest prowadzona bez zewnętrznego źródła napięcia. Polega na zapewnianiu kontaktu chronionej instalacji z metalami dodatkowo wprowadzonymi do obwodu (elektrodami ochronnymi).

W katodowej ochronie galwanicznej stosuje się elektrody ochronne, które są anodami w stosunku do metalu chronionego (protektory, np. cynkowe). Na chronionej powierzchni zachodzą katodowe reakcje redukcji depolaryzatora, nie powodujące zniszczeń. Zamierzonemu korozyjnemu zniszczeniu ulegają protektory, które są wymieniane na nowe.

Anodowa ochrona galwaniczna polega na dołączaniu elektrod, które są katodami w stosunku do metalu chronionego (są bardziej szlachetne). Na ich powierzchni redukuje się depolaryzator, a na powierzchni chronionej zachodzą anodowe reakcje utleniania metalu. Aby ochrona była skuteczna, muszą one prowadzić do powstania zwartych warstw tlenków lub innych produktów stałych (pasywacja).

Powłoki ochronne

Powłoki ochronne to warstwy materiałów, które są nakładane na powierzchnię wyrobów metalowych i niemetalowych w celu zabezpieczenia przed oddziaływaniem środowiska^{[1][2][3][14]}. Są klasyfikowane według materiału powłoki, sposobu nakładania i innych kryteriów. Między innymi wyróżnia się grupy powłok:

• niemetalicznych (np. powłoki malarskie, warstwy tlenkowe i inne)
• metalicznych, w tym — powłoki katodowe (skuteczne pod warunkiem szczelności) oraz powłoki anodowe

Rodzajem powłok ochronnych są też warstwy adsorpcyjne, tworzone przez inhibitory — związki wprowadzane do środowiska korozji i adsorbujące się na powierzchni chronionego metalu. Z punktu widzenia ochrony przed korozją elektrochemiczną wyróżnia się inhibitory:

• anodowe
• katodowe
• anodowo—katodowe (ogólne)

Przypisy

Bibliografia

• Bob Cottis: The electronic journal for all aspects of corrosion. [w:] The Journal of Corrosion Science and Engineering [on-line]. Linki do artykułów dot. różnych aspektów korozji. [dostęp 2011-05-12]. (ang.).

Linki zewnętrzne

• Korozja gazowa. [w:] Skrypt UMCS [on-line]. www.ztch.umcs.lublin.pl. [dostęp 2015-02-11].