Logo
Metrikon
6 vrsta korozije na metalnim materijalima i kako ih prepoznati
Preporuke

6 vrsta korozije na metalnim materijalima i kako ih prepoznati

  • Katarina Knafelj Jakovac

    8. prosinca 2023.

Prisustvo morske vode je čest uzrok problema pri radu strojeva u proizvodnim pogonima smještenim uz more, zbog intenzivnog nagrizanja metalnih površina konstrukcijskih materijala.

Najčešće se javljaju galvanska i pukotinska korozija te korozija koja odnosi materijal s površine, tu su još erozija, lom, kavitacija i ciklički zamor.

Rafinerija Gibraltar na obali Sredozemnog mora
Slika: Rafinerija Gibraltar na obali Sredozemnog mora (Izvor)

Napredak u razvoju metalnih materijala predstavlja napredak primjene tehnologije koja teži poboljšanju performansi sustava, energetskoj učinkovitosti, sigurnosti i produljenom životnom vijeku strojeva.

Metali su primarni materijali za konstruiranje brojnih strojeva i opreme u procesnoj i prerađivačkoj industriji, transportu i građevinarstvu.

Izbor materijala uključuje procjenu troška, mase, dostupnosti, produktivnosti, održavanja, životnog vijeka i izostanka kvarova.

Korozija često uzrokuje kvarove opreme, strojeva i sastavnih dijelova. Intenzitet kvarova se kreće u rasponu od jednostavnih do katastrofalnih.

Npr. često se događa potpuno puknuće metalnih komponenti zbog djelovanja prevelikog naprezanja, poput pucanja vijaka radi prevelikog momenta pritezanja ili opterećenja.

Većina kvarova uzrokovana greškama u materijalu je puno suptilnija i propisuje se trošenju, raspadu, učestalom naprezanju odnosno zamoru, puzanju, pukotinama, koroziji ili kombinaciji korozije i zamora.

Zbog ovakvih događaja, kada otkaže jedan dio u kompleksnom sustavu određenog stroja, često nije moguće jednostavno odrediti uzrok kvara.

Stoga se izbor i primjena materijala otpornih na koroziju za konstruiranje strojeva određuje pomoću specifikacija i standarda koje propisuju zakonska regulativa i međunarodne tehničke norme.

U ovom članku ćemo razmotriti 6 tipova korozije na metalnim materijalima koje uzrokuje prisustvo i djelovanje morske vode.

Korozija uzrokovana morskom vodom je najčešća vrsta kemijske korozije tj. elektrokemijski napad metalnog materijala u prisutnosti elektrolita.

Morska voda u obliku tekućine ili maglice aerosola je najčešći elektrolit koji uzrokuje probleme i komplikacije s elektrokemijskom korozijom.

Razlog tome je velika kemijska aktivnost i istovremena velika vodljivost morske vode, u usporedbi s elektrolitima kao što je svježa voda, te veliki raspon utjecaja morske vode na karakteristike metalnih materijala.

Drugi uzroci pojave elektrolita koji dovode do elektrokemijske korozije obično uključuju različite uvjete okoline i unutarnju strukturu kristalne rešetke materijala.

Karakteristike i doseg djelovanja korozije metala nastale prilikom izlaganja metala morskoj vodi ovise o samoj slitini i o kemijskom sastavu te o postupku toplinske obrade.

Jednako je važan i utjecaj okoliša poput količine i kvalitete zraka, duljine trajanja izloženosti morskoj vodi, naslaga nečistoće, kombinacije različitih metala, prisutnosti kavitacije, varijacijama temperature i nastanku pukotina.

Zbog djelovanja morske vode događaju se sljedeće vrste korozije:

1.Opća korozija. Predstavlja ravnomjerno djelovanje korozije na metalnu površinu ili na površinu legure.

Materijali poput legura bakra i različiti čelici općenito imaju ravnomjerno raspoređenu koroziju na vanjskoj površini.

Ravnomjerna pojava opće korozije je suprotna elektrokemijskoj koroziji materijala koju obilježava pojava degradacija na lokaliziranim mjestima.

Sljedeća slika prikazuje opću koroziju na vanjskoj površini postolja pumpe. Do pojave korozije je došlo nakon što se oljuštila boja te zbog nastanka razlike potencijala između metala od kojeg je načinjeno postolje i čelika od kojeg su načinjeni temeljni vijci ili ankeri.

Površinska korozija postolja neće uzrokovati kvar zbog kojeg će pumpa prestati s radom, ali ako se ne spriječi na vrijeme, postepeno će ubrzati degradaciju postolja i kućišta pumpe te tako skratiti životni vijek.

Slika: Korozija na vanjskoj površini postolja, Izvor: arhiva autorice
Slika: Korozija na vanjskoj površini postolja (Izvor: Arhiva autorice)
2. Galvanska korozija. Nastaje kada se 2 različite vrste metala zajedno nađu u prisutnosti elektrolita poput morske voda, što je prikazano na slici 1.

Struja će poteći kroz elektrolit od metala anode prema metalu katode.

Obično se ubrzava korozija metala anode dok se korozija metala katode usporava.

Na slici je prikazan primjer nastanka galvanske korozije zbog međudjelovanja bakrene podloške i aluminijske ploče koje imaju različit potencijal.

Group 22.png

Slika: Nastanak galvanske korozije

Galvanske serije su učinkovit način procjene tendencije nastanka galvanske korozije između dvije različite vrste metala.

Galvanska serija je niz potencijala u otvorenom krugu metala i legura, uronjenih u elektrolit koji se mjere specifičnom referentnom elektrodom.

Galvanska serija je postavljena u približnom poretku počevši s vrstama metala koji se najviše ponašaju kao anode (npr. magnezijeve legure, plemeniti metali) do vrsta metala koji se najviše ponašaju kao katode (npr. grafiti i lijevano željezo koje sadrži grafit, neplemenit metali).

Što su dva metala dalje u galvanskoj seriji, veći je potencijal nastanka galvanske korozije.

Tablica pokazuje galvanske serije i njihove odnose. Crvena polja predstavljaju parove metala sa povećanim rizikom nastanka korozije npr. par cinkova legura i nehrđajući čelik, titanij i nikal, srebro i lijevano željezo.

Takve parove metala sa crveno označenim poljima treba izbjegavati pri konstruiranju strojeva, opreme i različitih konstrukcija.

Zelena polja označavaju kompatibilne parove metala gdje neće doći do pojave korozije kada se koriste u paru anoda-katoda.

Takvi parovi su npr. kadmij i legure olova, nehrđajući čelik i legure nikal/krom te različite kombinacije legura magnezija sa ostalim metalima i toplo ih se preporuča koristiti.

Tablica parova katoda anoda za metale
Tablica parova katoda anoda za metale (Izvor)

3. Korozija nastala odnošenjem metala s vanjske površine (pitting). Točkasta odnosno rupičasta vrsta korozije je lokalnog karaktera i događa se uslijed razbijanja pasivne površine metala.
Jednom kada se prekine pasivni sloj, stvara se mala ćelija elektrolita između male površine anode, gdje se dogodi prekid sloja, i velike površine preostalog pasivnog sloja.

Mala ćelija elektrolita ima površinu veliku poput točke koja se s vremenom povećava.

Pitting korozija je vrlo ozbiljan oblik propadanja materijala zato što je iznimno teško predvidjeti intenzitet utjecaja korozije.

Screenshot 2024-02-03 at 11.48.23.png

Slika: Korozija nastala odnošenjem metala s vanjske površine (pitting) (Izvor)

Faktori koji utječu na razbijanje pasivnog sloja uključuju razlike u količini kisika, temperaturi, pH vrijednosti, koncentraciji iona klora, brzini protoka te fizikalne i kemijske nehomogenosti pasivnog sloja.

Odnošenje metala s površine legura aluminija u morskoj vodi je često povezano s nastankom lokalnih ćelija elektrolita između anodne matrice aluminija i katodne legure načinjene od težih elemenata poput bakra, nikla i željeza.

Zato su legure aluminija s manjim udjelom teških metala općenito najotpornije na pitting koroziju.

Međutim, čak i ove legure mogu biti podložne ubrzanoj koroziji ako morska voda sadrži otopljene ione teških metala, npr. bakar iz zaštitne boje protiv naslaga kućištu.

Nehrđajući čelik je često puno podložniji ovoj vrsti korozije od manje plemenitih kao što je ugljični čelik.

To se događa jer je njegova otpornost na koroziju povezana sa zaštitnim filmom oksida, pa svako lokalno pucanje zaštitnog filma stvara anodno područje.

Ako se zaštitni film ne može ponovo formirati, razlike u potencijalu između aktivnog i pasivnog područja uzrokuju ubrzano djelovanje korozije na području pukotine.

Ioni klora u morskoj vodi posebno agresivno djeluju na ovaj materijal.

4. Pukotinska korozija. Teži oblik lokalizirane korozije koji je rezultat koncentracije naprezanja ćelija.

Događa se zbog geometrije materijala nastale zavarivanjem ili na spoju 2 materijala, kada je metalni materijal u kontaktu s nemetalnim materijalom te zbog naslaga nakupljenih na površini metala.

Naslage su produkti drugih vrsta korozije, čestice pijeska ili nečistoće. Lokalna korozija događa se unutar ili izvan pukotine.

Pukotinska korozija nekih metala kao što su austenitni nehrđajući čelici i legure na bazi nikla se događa unutar pukotine.

unnamed (48).png
Slika: Prikaz poprečnog presjeka čelika AISI 316L i pukotinska korozija dubine 75-100 µm (Izvor)

Ioni klora u morskoj vodi mogu prodrijeti u zaštitni film oksida i stvoriti aktivnu površinu unutar područja pukotine koja ponovo nastoji postati pasivna rekombiniranjem atoma kisika otopljenih u morskoj vodi.

Kada nestane atoma kisika u pukotini, više nije mogući popravak zaštitnog filma, pa nastaju galvanske ćelije između aktivne površine unutar pukotine i pasivne površine izvana. Obje ćelije teže ubrzanju korozije legiranog materijala unutar površine pukotine.

Pukotinska korozija na drugim metalima poput nekih legura bakra, se događa samo izvan područja pukotine.

Tada korozija u pukotini uzrokuje zasićenje zarobljene vode sa bakrenim ionima, što ubrzava koroziju i u drugim područjima.

Razlika u koncentraciji iona bakra između unutarnje i vanjske površine pukotine rezultira time što ćelije ubrzavaju koroziju i na vanjskim rubovima pukotine.

5. Erozijska korozija. Općeniti naziv za koroziju povezanu s povećanim nagrizanjem površine materijala, što je rezultat abrazivnog djelovanja fluida koji teče po površini.

Neprekinuto turbulentno strujanje fluida preko zaštitnog filma na površini metala tijekom duljeg razdoblja rezultira razdiranjem korozijskog filma čime površina metala ostaje nezaštićena i direktno izložena abrazivnom djelovanju, što je prikazano na slici.

Nastanak erozijske korozije
Slika: Nastanak erozijske korozije (Izvor) Na taj način nastaju nepovratna mehanička oštećenja.

Lom materijala i kavitacija su oblici erozije uvjetovani brzinom gibanja radnog medija.

Lom metala se događa na mjestima gdje postoji lokalni lom nastao gibanjem fluida preko čvrste površine metala. Kavitacijska oštećenja nastaju kada se mjehurići pare stvaraju i implodiraju u blizini površine metala.

Kavitaciji su najviše podložni dijelovi strojeva u direktnom i kontinuiranom kontaktu sa radnim medijem, npr. rotori i kućišta pumpi za prepumpavanje morske ili slatke vode, lopatice parnih turbina, cjevovodi za transport vode i sl.

rotor pumpe oštećen djelovanjem kavitacije
Slika: Rotor pumpe oštećen djelovanjem kavitacije (Izvor)

Kako se brzina protjecanja fluida povećava, nestaju zaštitni premazi na površini neplemenitih metala kao što su austenitni nehrđajući čelici i mnoge legure nikla, pa se javlja pukotinska korozija koja se s vremenom povećava.

Suprotno plemenitim metalima, zaštitne sposobnosti bakrenih legura nestaju kako se povećava brzina protjecanja, što dovodi do pojačanja korozije.

Kad nastane legura bakra s elementima kao što je nikal ili aluminij, dramatično se povećava otpornost legure prema koroziji nastaloj djelovanjem brzine protjecanja.

Legure bakra se često koriste za izradu kućišta strojeva, za rotore i vijke gdje je debljina stijenke takva da se može tolerirati korozija u prihvatljivim granicama.

U teškim uvjetima rada kada je tolerancija na modificiranje radnih uvjeta ograničena, potrebno je razmotriti upotrebu zaštitnih premaza, posebnih obloga, korištenja plemenitih metala i posebnih nemetalnih konstrukcijskih materijala te njihov trošak.

6. Interganularna ili međustrukturna korozija. Poznata je još pod nazivom selektivna korozija. Javlja se u nekoliko oblika:

Grafitna korozija je uobičajena za sive željezne lijevove. Ne događa se na austenitnom lijevanom željezu s dodatkom nikla.

Korozija željeza događa se kada korodirano željezo odlazi s površine materijala ostavljajući slobodan ugljik (grafit) u sivom željeznom lijevu.

Ostatak materijala zadržava originalni oblik strukture, ali gubi mehaničku čvrstoću.

Grafitna korozija na vanjskoj površini cijevi, snimka pod mikroskopom

Slika: Grafitna korozija na vanjskoj površini cijevi, snimka pod mikroskopom (Izvor)

Uklanjanje čestica metala je još jedan proces selektivne korozije tipičan za mjedene materijale koji sadrže više od 15% cinka.

Kod ovakvog tipa korozije da dolazi do otapanja čestica mjedi kada ioni cinka ostanu u otopini, dok se bakar nastavi taložiti.

Rezultat je metalni komad koji zadržava svoj oblik i sastoji se od poroznih naslaga bakra bez unutarnje čvrstoće.

Mjedeni metali i aluminijske mjedi su podložne uklanjanju čestica metala u morskoj vodi, osim ako se ne odrede razredi inhibicije gdje se metal inhibitor, poput arsena, antimona ili fosfora dodaje mjedi.

Gubitak čestica aluminija po selektivnim fazama je tip korozije koji se događa nekim aluminijskim broncama, pogotovo lijevanim broncama, koje sadržavaju više od 8% aluminija.

Međustrukturna korozija austenitnih nehrđajućih čelika je još jedan tip selektivne korozije.

Karbidi u čeliku koji su osjetljivi na ovakav oblik oštećenja nastaju na graničnim slojevima kristalnih zrna kada se čelik ponovno grije na temperaturama od 430°C do 870°C.

Takve temperature se postižu u zonama zagrijavanja uz mjesta zavarivanja metala. Korozija se može dogoditi na granicama kristalnih zrna.

Ovakav tip korozije se može izbjeći korištenjem legura s niskim udjelom karbida (maksimum 0,03%) te korištenjem stabilnih metala koji sadrže titanij ili vraćanjem očvršćenih karbida natrag u otopinu hlađenjem i ispiranjem iznad 900°C.

Ljuštenje (gubljenje čestica) je poseban oblik selektivne korozije koji se događa duž uske staze koja ide paralelno površini materijala.

Općenito, korozija se događa na granicama zrna uzrokujući da produkti korozije odvode čestice dalje od površine i stvaraju izgled slojeva. Ako su produkti korozije većeg volumena, unutarnji tlak može uzrokovati pojavu mjehurića koji pucaju na vanjskoj površini.

Kako spriječiti koroziju na metalnim materijalima?

Opća korozija se može spriječiti primjenom odgovarajućih boja, metalnih premaza, katodnom zaštitom (trošenjem anode ili sustavom nametnute struje) te izborom otpornije vrste materijala.

Vanjske površine strojeva u prerađivačkoj industriji poput kompresora i centrifugalnih pumpi su jednako osjetljive kao i čelična armatura pa ih obavezno treba odgovarajuće zaštititi.

Antikorozivna zaštita obuhvaća primjenu određenih metoda i tehnologije koji rezultiraju dugotrajnom zaštitom metalnih materijala od uništavajućeg djelovanja različitih vrsta korozije.

Prvi korak u izvođenju antikorozivne zaštite je izrada tehničke specifikacije odabranih premaza sa količinama, vrstama premaza i cjelokupnim troškovnikom radova i materijala.

Specifikacija još obuhvaća i plan kontrole kvalitete u svim fazama pripreme metalnih površina i nanošenja svih vrsta premaza sa izradom završnog izvještaja ovjerenog od strane ovlaštenih inspektora.

Norme HRN EN ISO 12944 (boje i lakovi) i EN ISO 14713 (metalni premazi) definiraju najčešće uvjete radnog okoliša koji dovode do pojave korozije te vrijeme trajanja zaštitnog premaza od prvog nanošenja do trenutka kada će biti potrebno ponovno nanijeti premaz prilikom radova preventivnog održavanja.

Zaštitni premazi sadrže inhibitore korozije i na taj način štite površinu metalnih materijala od djelovanja elektrokemijske korozije.

Tablica prikazuje predviđeno trajanje premaza u godinama, definirano prema normi HRN EN ISO 12944:

Screenshot 2024-02-03 at 14.43.05.png
(Izvor)

Adekvatna priprema površine je najvažniji dio procedure nanošenja antikorozivne zaštite.

Priprema obavezno pjeskarenje površine kada postoji potreba za dugim vijekom trajanja antikorozivne zaštite. Potom se na pripremljene površine nanosi temeljni premaz, ekspandirajući premaz i zaštitni premaz, što je prikazano na slici.

Screenshot 2024-02-03 at 14.31.07.png
Slika: Sustav antikorozivne zaštite sa 3 premaza (Izvor)

Sustav antikorozivne zaštite površina obavezno mora uključivati sva 3 koraka te završnu kontrolu debljine premaza.

Na kraju, sve podatke o stanju vanjskih metalnih površina strojeva i opreme treba redovito evidentirati u softveru za upravljanje imovinom.

Svaki kvar nastao zbog djelovanja korozije, svaki radni nalog za izradu antikorozivne zaštite i svaki izvještaj također treba unijeti u softver pod odgovarajuću imovinu kako bi na jednom mjestu imali pregledno i ažurno stanje.

Katarina Knafelj Jakovac
Katarina Knafelj Jakovac social media icon
8. prosinca 2023.

Katarina Knafelj Jakovac je inženjerka strojarstva sa dugogodišnjim radnim iskustvom u naftnoj industriji. Certificirani lider za pouzdanost opreme specijalizirana za strojarsku opremu i operativnu izvrsnost. Autorica je bloga Strojarska Radionica gdje dijeli profesionalno znanje i osobno iskustvo u održavanju različitih rotacijskih strojeva, strojnih sustava i procesne opreme. Obožava mehaniku, nauku o toplini i motore sa unutarnjim izgaranjem. Posvećena je kontinuiranom unaprjeđenju održavanja strojeva i kvalitetnog gospodarenja fizičkom imovinom.