Protikorózna ochrana materiálov

1. Protikorózna ochrana materiálov

2. Protikorózna ochrana materiálov • každý zásah do korózneho systému, ktorý bude viesť ku zníženiu korózneho napadnutia materiálu • ekonomické požiadavky na konštrukciu • požiadavky na iné technické vlastnosti (napr. pevnostné požiadavky)

3. Protikorózna ochrana materiálov • korózny proces sa u kovov sústreďuje na rozhranie kov – korózne prostredie (elektrolyt)

4. Výber materiálu • na výber materiálu vplývajú najmä konštrukčné, technologické, technické a ekonomické aspekty • Základné zásady z hľadiska korózie materiálov: • zistiť vhodnosť použitia materiálu v danom pracovnom prostredí (termodynamická stálosť, schopnosť pasivácie, ...) • brať do úvahy možné okrajové prípady vyskytujúce sa v prevádzke, aj keď sú zriedkavého charakteru • analyzovať rovnomernosť zaťaženia (z hľadiska korózie) – možnosť vzniku koróznych makročlánkov, zvlášť u konštrukcií veľkých rozmerov

5. Výber materiálu • Základné zásady z hľadiska korózie materiálov: • predbežný výber uskutočňovať zo širokej palety materiálov (kovy, nekovy – organického aj neorganického pôvodu) • konečný výber uskutočniť na základe zhodnotenia všetkých informácií o prevádzke zariadenia (finančné náklady, údržba, strata hodnoty zariadenia,...), na základe platných TN (hlavne bezpečnosť, spoľahlivosť a ekológia) a na základe výsledkov koróznych skúšok • extrémna minimalizácia nákladov na materiál prináša časté nepredvídané poruchy popr. havárie a naopak výber zbytočne drahého materiálu bez uváženia životnosti konštrukcie zbytočne zvyšuje ekonomické zaťaženie konštrukcie

6. Výber materiálu • Základné zásady z hľadiska korózie materiálov: • pri extrémne náročných projektoch je vhodné zvážiť aj možný vývoj materiálu pre konkrétnu aplikáciu – antikorózne legovanie – vhodná úprava zloženia materiálu (zvyšenie pasivovateľnosti, odstránenie faktorov, ktoré spôsobujú náchylnosť na niektorý druh korózie)

7. Konštrukčné zásady obmedzenia korózneho napadnutia • správna konštrukcia prispieva ku efektívnemu využitiu vybraného kovového materiálu • pri stavbe konštrukcie je potrebné dbať najmä na: • zabezpečenie dostatočnej kontroly kvality materiálov (chemické zloženie, štruktúra, stav povrchu materiálu) • dbať na správne zaobchádzanie s materiálom – problém nevhodného skladovania polotovarov, poškodenie povrchu materiálu, nauhličenie nehrdzavejúcich ocelí • zabezpečiť vhodné technologické postupy pri inštalovaní kovových konštrukcií (vhodnosť zvárania, utesňovania) • po uvedení konštrukcie do prevádzky spôsobuje problémy nedostatočná kontrola a údržba

8. Konštrukčné zásady obmedzenia korózneho napadnutia • Nesprávne konštrukčné postupy môžu spôsobiť nasledovné chyby: • vznik koróznych makročlánkov (spojenie dvoch rôznych kovov s výrazne rozdielnymi termodynamickými vlastnosťami, prítomnosť prostredia s rôznymi vlastnosťami, vznik povrchu s rôznymi vlastnosťami) • lokálne zvýšenie agresivity prostredia v určitej časti zariadenia spôsobené zlým konštrukčným riešením – vznik štrbín, vytvorenie miest na usadzovanie alebo hromadenie agresívnej kvapaliny

9. Konštrukčné zásady obmedzenia korózneho napadnutia

10. Konštrukčné zásady obmedzenia korózneho napadnutia

11. Úprava prostredia • úpravu prostredia je možné uplatniť iba tam, kde je možné sledovať jeho zloženie (uzavretý systém) • zníženie agresivity prostredia je možné uskutočniť: • úpravou prostredia znížením obsahu aktívnej zložky • zníženie vlhkosti prostredia pod kritickú hodnotu – kondenzáciou, hygroskopickými látkami • zachytávaním agresívnych zložiek ako sú SO2, Cl, F, H2S reakciou s inými chemickými zlúčeninami

12. Úprava prostredia Korózne skúšky ocele v atmosfére znečistenej 0,01% SO2, 55 dní

13. Úprava prostredia • zamedzením prístupu kyslíka do korózneho uzavretého systému – napr. kontrolou tesnení, správnou technológiou prevádzky, zníženie obsahu kyslíku v kotlových vodách (chemickými alebo fyzikálnymi spôsobmi). Fyzikálne sa odstraňuje kyslík za varu v tlakových alebo vákuových odplyňovačoch. Tlakové odplynenie zníži obsah kyslíka na 0,03 mg/l, vákuové na 0,1 mg/l. Chemicky sa odstraňuje kyslík filtráciou cez železné triesky alebo cez siričitan sodný. Dá sa dosiahnuť obsah kyslíka 0,01 mg/l

14. Úprava prostredia Korózne skúšky ocele v 0,1% NaCl, 1 – za prístupu vzduchu, 2 – v atmosfére dusíka

15. Úprava prostredia • zvýšenie koróznej odolnosti použitím inhibítorov korózie – látky, ktoré po pridaní v malom množstve znižujú korózne napadnutie bez výrazného ovplyvnenia zloženia prostredia • inhibítor pôsobí na fázové rozhranie medzi materiálom a prostredím buď zmenou na povrchu kovu, alebo zmenou v difúznej vrstve kvapaliny, pričom jeho úlohou je znížiť rýchlosť čiastkového deja korózie

16. Úprava prostredia • z hľadiska výsledného efektu inhibítorov rozlišujeme: • difúzne inhibítory – menia vlastnosti vrstvy prostredia na fázovom rozhraní tak, že znižujú rýchlosť difúzie resp. konvekcie iónov zúčastňujúcich sa koróznej reakcie (kremičitan sodný, glukóza, arabská guma, želatína pre ocele, Al, Zn, ...) • povrchové inhibítory – menia vlastnosti povrchu kovu adsorpciou na povrchu (formaldehyd, dimetylsulfid, amylamin, ...)

17. Elektrochemická ochrana • postupy, pri ktorých sa vhodnou polarizáciou chráneného kovu spomalí alebo potlačí korózny dej, pričom rýchlosť korózie klesne na technicky prijateľnú hodnotu • rozlišujeme dva základné typy elektrochemickej ochrany: • katódová ochrana • anódová ochrana

18. Elektrochemická ochrana - katódová

19. Elektrochemická ochrana - katódová

20. Elektrochemická ochrana - katódová • na dostiahnutie potrebného ochranného potenciálu (E0) je potrebné do systému dodať ochrannú minimálnu prúdovú hustotu i0 • kov sa posunutím potenciálu na hodnotu ochranného potenciálu dostane do stavu imunity (kov sa stabilizuje – korózne straty sú technicky zanedbateľné) • parametre katódovej ochrany • ochranný potenciál E0 je prakticky stály • ochranná prúdová hustota i0 výrazne závisí od koróznych podmienok – vodivosť, prevzdušnenie, prúdenie prostredia

21. Elektrochemická ochrana - katódová • hodnota minimálnej ochranná prúdovej hustoty sa môže znížiť znížením vodivosti celého korózneho systému – napr. vytvorením ochranného povlaku (pasívna ochrana) • v praxi sa s katódovou ochranou takmer vždy používa aj pasívna ochrana povlakmi, ktoré by mali mať vysokú odolnosť voči chemickým, biologickým vplyvom a voči alkalizácii prostredia, ktorá je dôsledkom katódovej ochrany

22. Elektrochemická ochrana - katódová • k alkalizácii v okolí povrchu chráneného kovu dochádza priebehom reakcie: O2 + 2H2O + 4e → 4OH- • pri katódovej ochrane ocelí dochádza ku rozporu teoreticky stanovených ochranných potenciálov a praxou stanovených ochranných potenciálov – teória hovorí o -0,99 V (Cu/CuSO4), prakticky sa pre prostredia pôd a pre väčšinu vôd používa hodnota -0,85 V. Je to spôsobené obsahom ďalších prvkov v prostredí, ako Ca2+, Mg2+, HCO-3

23. Elektrochemická ochrana - katódová

24. Elektrochemická ochrana - katódová • podmienky katódovej ochrany môžeme dosiahnuť: • ochranou vonkajším zdrojom prúdu – vypočítanou prúdovou hustotou sa splnia podmienky pre stabilizáciu kovu v danom prostredí

25. Elektrochemická ochrana - katódová • Materiál anód: • uhlíkové ocele – často z odpadového materiálu, rýchlosť spotreby cca. 10 kg/rok pri prúde 1 A • grafit – drahšie, ale úbytok je podstatne menší • vysokokremíkové liatiny (Fe-0,95C-14,5Si-4,5Cr) • titán pokrytý tenkou vrstvou platiny • platina • zliatiny olova Pb-6Sb-1Ag

26. Elektrochemická ochrana - katódová

27. Elektrochemická ochrana - katódová • podmienky katódovej ochrany môžeme dosiahnuť: • ochranou obetovanou anódou – tiež nazývaná ako protektorová ochrana – prúd sa získava z chemickej reakcie rozpúšťania, pri ktorej sa uvoľnujú elektróny

28. Elektrochemická ochrana - katódová • Materiál obetovaných anód musí spĺňať: • elektrochemická sila vytvorená spojením chráneného a chrániaceho kovu musí byť dostatočne veľká, aby bola chránená čo najväčšia plocha • ochranný potenciál nesmie byť ovplyvnený anodickou reakciou obetovanej anódy a nesmú vznikať korózne produkty, ktoré by zabránili funkcii obetovanej anódy • úbytok na anóde by mal dosahovať iba mieru spôsobenú ochranným prúdom • ekonomická dostupnosť materiálu obetovanej anódy a jej ekologickosť

29. Elektrochemická ochrana - katódová • Materiály obetovaných anód: • zinkové protektory – opt. zloženie: 0,006% Pb, 0,0014 % Fe, 0,06 % Cd, 0,005 % Cu, 0,1-0,3 % Al, zvyšok Zn (legovanie zabráňuje tvorbe koróznych splodín s vyšším odporom) • zinkové protektory zabezpečujú pomerne malú elektrochemickú silu, preto sa používajú na ochranu ocelí v prostrediach s nízkym merným odporom – použitie v morskej vode • horčíkové protektory – optimálne zloženie: 5,3-6,7 % Al, 2,5-3,5% Zn, min.0,15% Mn, max.0,3 % Si, max.0,05 % Cu, 0,003% Ni, 0,003 % Fe, zvyšok Mg

30. Elektrochemická ochrana - katódová • Materiály obetovaných anód: • hliníkové protektory – zväčša používané v prostrediach morskej vody, kde pri legovaní zinkom, ortuťou, indiom a cínom nevytvárajú na povrchu pasívne vrstvy (pri obsahu Hg sú toxické)

31. Elektrochemická ochrana - katódová

32. Elektrochemická ochrana - katódová • Veľkosť (hmotnosť) anódy: kde RS – rýchlosť spotreby anódy, R – doba životnosti v rokoch, I – priemerné prúdové zaťaženie, VF – výkonový faktor (0,9 pri protektoroch, 1 – pri ochrane vonkajším zdrojom), FP – faktor použiteľnosti (0,85 pri protektoroch, 0,5 pri ochrane vonkajším prúdom)

33. Elektrochemická ochrana - katódová • priemerné prúdové zaťaženie: • I0 = iN.AN + iV.AV • IR = iN.(1-P)AN + iV.(Av+P.AN) kde I0 – prúd pri inštalácii, IR – prúd po R rokoch, iN – prúdová hustota katódovej ochrany konštrukcie s náterom (v pôde 1,5 mA/m2), iv – prúdová hustota katódovej ochrany konštrukcie bez náteru (v pôde 15 mA/m2), AN resp. AV – plocha s náterom resp. plocha bez náteru, P – predpoklad poškodenia náteru po R rokoch

34. Elektrochemická ochrana - katódová • potrubie – chránená plocha 250 m2, nechránená plocha 50m2, životnosť 20 rokov, grafitová anóda (RS=0,45 kg/rok.A), poškodenie po 20 rokoch 40 % (P=0,4) • I0 = 250 m2 .0,0015 A/m2 + 50 m2 . 0,015 A/m2 = 1,125 A • IR = 0,0015 . (1-0,4).250 + 0,015 . (50 + 0,4.250) = 2,475 A

35. Elektrochemická ochrana - katódová • potrubie – chránená plocha 250 m2, nechránená plocha 50m2, životnosť 20 rokov, grafitová anóda (RS=0,45 kg/rok.A), poškodenie po 20 rokoch 50 % (P=0,5)

36. Elektrochemická ochrana - anódová • aplikuje sa iba pri materiáloch, ktoré majú výraznú oblasť pasivity

37. Elektrochemická ochrana - anódová • chránený kov sa pomocou vonkajšieho zdroja umelo dostane do oblasti pasivity a udržiava sa na určitom potenciáli v rozmedzí potenciálom Epp a Et .

38. Elektrochemická ochrana - anódová • prevádzkové náklady na anódovú ochranu sú relatívne malé, ale je potrebný veľmi dobrý monitorovací systém • veľkosť ochranného prúdu zodpovedá v podstate veľkosti prúdu v pasívnom stave ip • využíva sa najmä v chemickom a potravinárskom priemysle na ochranu antikoróznych ocelí v prostrediach silných kyselín, hydroxidov a solí

39. Elektrochemická ochrana - anódová • materiály katód: • mosadz s nanesenou vrstvou platiny – pre akékoľvek prostredie • kremíkové liatiny pre kyselinu sírovú • meď pre zásadité prostredia • nehrdzavejúca oceľ – dusičnany • niklové superzliatiny – kyselina sírová, dusičnany