1 IZBORNI KOLEGIJ KOROZIJA I OKOLIŠ Doc.dr.sc. Helena Otmačić Ćurković Cilj kolegija 1. Upoznavanje s - okolišem - uzrocima zagađenja okoliša - procesima korozije metala i s njihovim utjecajem na okoliš. 2. Pregled metoda zaštite od korozije s posebnim osvrtom na metode koje zagađuju okoliš. 3. Traženje mogućnosti zamjene toksičnih sredstava zaštite novim netoksičnim sredstvima i metodama zaštite. Izvedba kolegija - predavanja - seminarski rad - vježbe Konačna ocjena: - kolokvij 60% - seminarski rad 30% - vježbe 10% KEMIJSKA SVOJSTVA MATERIJALA KOROZIJA MATERIJALA Korozija je nenamjerno razaranje konstrukcijskih materijala koje je uzrokovano fizikalnim, fizikalno- kemijskim, kemijskim i biološkim agensima. HRN EN ISO 8044: Korozija je fizikalno kemijsko međudjelovanje metala i njegova okoliša koje uzrokuje promjenu uporabnih svojstava metala te može dovesti do oštećenja funkcije metala, okoliša ili tehničkog sustava koji oni čine. NACE: Razaranje materijala , uglavnom metala, uslijed reakcije s okolišem . U današnje je vrijeme potrebno posvetiti puno više pažnje koroziji metala nego ranije zbog: - povećane uporabe metala u svim područjima tehnologije; - uporabe metalnih konstrukcija sve tanjih dimenzija koje ne toleriraju korozijske napade istog intenziteta kao teške, nekad upotrebljavane konstrukcije; - uporabe metala za specijalnu primjenu (npr. u području atomske energije) - uporabe rijetkih i skupih metala čija zaštita zahtijeva posebne mjere opreza - pojačane korozivnosti okoline uslijed povećanog zagađenja vode, zraka i tla. Energetika i komunalne službe Naoružanje i skladištenje nuklearnog otpada Infrastruktura Studija o troškovima korozije u SAD-u Direktni troškovi: 137.9 milijardi $/godini Ukupni procijenjeni troškovi 279 milijardi $/godini Prijevozna sredstva Industrija i obrti Izvor: http://www.nace.org/uploadedFiles/Publications/ccsupp.pdf
14
Embed
Cilj kolegija - fkit.unizg.hr · PDF fileKEMIJSKA SVOJSTVA MATERIJALA KOROZIJA MATERIJALA Korozija je nenamjerno razaranje konstrukcijskih ... Pasivnost je stanje visoke korozijske
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
IZBORNI KOLEGIJ
KOROZIJA I OKOLIŠ
Doc.dr.sc. Helena Otmačić Ćurković
Cilj kolegija
1. Upoznavanje s- okolišem- uzrocima zagađenja okoliša- procesima korozije metala i s njihovim utjecajem na okoliš.
2. Pregled metoda zaštite od korozijes posebnim osvrtom na metode koje zagađuju okoliš.
3. Traženje mogućnosti zamjene toksičnih sredstava zaštite novim netoksičnim sredstvima i metodama zaštite.
Izvedba kolegija
- predavanja
- seminarski rad
- vježbe
Konačna ocjena:
- kolokvij 60%
- seminarski rad 30%
- vježbe 10%
KEMIJSKA SVOJSTVA MATERIJALA
KOROZIJA MATERIJALA
Korozija je nenamjerno razaranje konstrukcijskihmaterijala koje je uzrokovano fizikalnim, fizikalno-kemijskim, kemijskim i biološkim agensima.
HRN EN ISO 8044: Korozija je fizikalno kemijsko međudjelovanje metala i njegova okoliša koje uzrokuje promjenu uporabnih svojstava metala te može dovesti do oštećenja funkcije metala, okoliša ili tehničkog sustava koji oni čine.
NACE: Razaranje materijala, uglavnom metala, uslijed reakcije s okolišem.
U današnje je vrijeme potrebno posvetiti puno više pažnje koroziji metala nego ranije zbog:
- povećane uporabe metala u svim područjima tehnologije;
- uporabe metalnih konstrukcija sve tanjih dimenzija koje ne toleriraju korozijske napade istog intenziteta kao teške, nekad upotrebljavane konstrukcije;
- uporabe metala za specijalnu primjenu (npr. u području atomske energije)
- uporabe rijetkih i skupih metala čija zaštita zahtijeva posebne mjere opreza
- pojačane korozivnosti okoline uslijed povećanog zagađenja vode, zraka i tla.
• Svojstvima korozivnog okoliša – temperatura, sastav, tlak, brzina gibanja
• Korozijski produktimaPilling- Bedworthov omjer
• Kompaktni slojevi PB = 1 do 2,5m
kp
V
VPB
3
Osnovni elektrokemijski pojmoviElektrokemija: znanost koja istražuje kemijske reakcije do kojih
dolazi uslijed djelovanja električne energije, odnosno kemijske reakcije koje proizvode električnu energiju= kemija električki nabijenih čestica
Elektrolit: vodljivi medij (voda) koji sadrži otopljene ione i / iliElektrolit: vodljivi medij (voda) koji sadrži otopljene ione i / ili plinove (O2)
Elektroda: vodljivi materijal (metal, ugljik) uronjen u elektrolitKatoda: elektroda na kojoj se odvija reakcija redukcije
(primanja elektrona)
Anoda: elektroda na kojoj se odvija reakcija oksidacije (otpuštanja elektrona)
Elektrokemijski članakElektrokemijski članak: sastoji se od dviju elektroda koje su elektronski vodiči te su uronjene u elektrolit i spojene preko vanjskog električnog kruga
Ukupna reakcija u elektrokemijskom članku odgovara sumi anodne i katodne reakcije.
Zbog principa očuvanja naboja količina naboja otpuštena u anodnoj Zbog principa očuvanja naboja količina naboja otpuštena u anodnoj reakciji (reakcijama) jednaka je količini naboja utrošenoj u katodnoj reakciji (reakcijama).
Elektrokemijski članak
Elektrolizer Galvanski članak
Galvanski članak
Procesi u članku se odvijaju spontano (G < 0)
Primjeri: baterije, akumulatori
Tok elektrona
CuSO4 ZnSO4
CinkSO4
2-
Bakar
o e e t o a
+ -
+: katodaCu2+ + 2e- → Cu
- : anodaZn → Zn2+ + 2e-
Elektrolizer
Tok elektrona-+Vanjski izvor
Proces se ne odvija spontano (G > 0)nego je potreban vanjski izvor struje
CuSO4 ZnSO4
CinkSO4
2-
Bakar
o e e t o a
+ -
+: anodaCu → Cu2+ + 2e-
- : katodaZn2+ + 2e- → Zn
Korozijski članak
- nastaje na površini metala uronjenog u elektrolit zbog razlike potencijala između anodnih i katodnih mjesta
-čine ga anoda, katoda, metalni vodič i vodljiva otopina-elektrolit
Fe
Anodno Fe → Fe2+ + 2e-
Elektrolit: HCl
područje
Katodno područje
e-
e-
e-
H+
H+
H2
Elektrolit: HCl
H+ H+ Cl-
Cl-Struja
jcorr
Elektrokemijska korozija
Otapanje metala u kiselini:
Me + 2H+ Me2+ + H2
anodni proces: Me (s) Me2+ (aq) + 2e-
katodni proces: 2H+ (aq) + 2e- H2 (g)
U prisutnosti kisika: 4H+ (aq) + O2 (g) + 4e- 2H2 O (l)
4
u neutralnom mediju
katodna reakcija: H2O + 1/2O2 + 2e- 2OH-
Reducens oksidacija Oksidans + ze-
redukcija
Ravnotežni elektrodni potencijal:E = Eo + RT/zF ln a / aE = Eo + RT/zF ln aox / ared
Eo - standardni elektrodni potencijal
Razlika elektrodnih potencijala može se termodinamički prikazati:
Pasivnost metala je stanje u koje neki neplemeniti metali (npr. krom, nikal, željezo, aluminij) mogu prijeći privremeno, pri čemu postaju kemijski otporni poput plemenitih metala.
Pasivnost je stanje visoke korozijske otpornosti metala pod uvjetima pod kojim su njihove reakcije termodinamički moguće, a usporene su povišenom anodnom kontrolom.
Imunitet–područje u kojem je termodinamički nemoguće odvijanje korozije.
Aktivna korozija - korozijski produkti topljivi u vodenom mediju.
Pasivnost –stabilni čvrsti produkt taloži preko cijele površine metala te sprečava danje otapanje metala.
Nehomogenost površine metala
5
Podjela korozije prema izgledu korozijskog oštećenja
Jednolika korozija (uniform corrosion)
- najčešći oblik korozije
-odvija se preko cijele površine metalaj p j p
- lako se uočava
• lokalizirani oblik korozije• najčešće nastaje zbog razlike u svojstvima
korozijskog okoliša ili samog materijala na mikroskopskoj razini:
Jamičasta (pitting) korozijaA K
mikroskopskoj razini:- pucanje pasivnog filma- defekti u zaštitnim prevlakama- nehomogenost metalne površine (nemetalni
uključci)
• opasniji oblik korozije od jednolike korozije jer se teže uočava i prati
Lokalna korozija nerđajućih čelika
Zrak
Pasivni film
Nerđajući čelik
• Pojava diferencijalne aeracije zbog prisutnosti vlage
Korozija u procijepu (crevice corrosion)
AK
- lokalizirani oblik korozije
Manje O2
Područje s više O2
j
- pojavljuje se na dijelu metala koji se nalazi u zaštićenom ili ograničenom okolišu u usporedbi s ostatkom metala:
- razlike u koncentraciji kisika - razlika u pH vrijednosti elektrolita- razlika u koncentraciji klorida
Interkristalna korozija (intergranular corrosion)
- lokalizirani oblik korozije koja se odvija uz granicu zrna metala ili legure
-do korozije uz granicu zrna dolazi zbog prisutnih preciptata i segregata
- teško se primjećuje a uzrokujeteško se primjećuje, a uzrokuje promjenu fizičkih svojstava metala (čvrstoće i žilavosti)
Transkristalna korozija- najčešće nastaje u visokolegiranim čelicima u prisustvu kloridnih iona isumporovodika
6
Kontaktna (galvanska) korozija
• Elektrokemijska korozija uslijed kontakta dva različita metala u prisutnosti elektrolita
• Raspukline rastu sporije nego kod SCC-a i unutar raspuklina stvaraju se korozijski produkti
• Ovisi o frekvenciji naprezanja
7
Vodikova krtost (Hydrogen Embrittlement
Difuzija vodika uzduž granice
Elektrolit
H
H
H
H
H
H
H H
HH H2
- do ove pojave dolazi kada jekatodna reakcija redukcija vodika
Javlja se- u kiselinama (dekapiranje)- kod prezaštite u katodnoj zaštiti- u prisutnosti H2S
Adsorbirani vodikDifuzija vodika kroz kristalnu rešetku
gkristala
- adsorbirani vodikovi atomi s površine difundiraju u metal i vežu se u molekulu
- tzv. otrovi (fosfor, arsen, antimon, sumpor, selen, cijanidi) sprečavaju rekombinaciju atoma vodika u molekulu
-metal postaje krhak
Tarna korozija (fretting corrosion)
proces koji nastaje na dodirnim površinama tijela pri oscilirajućim relativnim pomacima mikrometarskih veličina-može se smanjiti podmazivanjem radi smanjenja trenjatrenja
Erozijska korozija
•Nastaje zajedničkim djelovanjem korozije i erozije zbog protoka fluida
•Ovisna o brzini protoka fluida – nastaje iznad neke kritične brzine strujanja fluida
•Pojačana ako su prisutne krute čestice•Pojačana ako su prisutne krute čestice ili mjehurići, tj. u višefaznim sustavima
Kavitacijska korozija – oblik erozijskog napada zbog nastajanja (zbog lokalnog pada tlaka) i pucanja mjehurića blizu metalne površine pri čemu dolazi do oštećenja površinskog sloja metala
Biokorozija
• Vrlo česta na brodovima i u lukama uslijed djelovanja flore i faune
• Obraštaji na brodovima uzrokuju ubrzanu koroziju zbog organskih kiselina i mehaničkog odnošenja materijala
• Mikrobiološka korozija- upotreba baktericida
Mikrobiološka korozija-je korozija uzrokovana djelovanjem mikroorganizama u korozijskom
sustavu.-javlja se u tlu, u stagnantnim neutralnim otopinama ili vodi.
Anaerobna sulfatna korozija kao rezultat redukcijskog djelovanja sulfatnih anaerobnih bakterija (Desulfovibrio desulfuricans)
8 H2O 8 OH- + 8H+
4 Fe 4 Fe2+ + 8 e- (anoda)
8H+ + 8 e- 8H (katoda)
SO42- + 8 H S2- + 4 H2O ( katodna depolarizacija s bakterijom)
• Atmosferska korozija• Korozija u tlu• Korozija zbog lutajućih struja • Korozija u suhim plinovima
K ij l k li i• Korozija u neelektrolitima• Korozija u elektrolitima• Korozija u moru• Korozija u betonu• Korozija u ljudskom tijelu• Kontaktna korozija
8
Atmosferska korozija
- najrašireniji oblik korozije
Rezultat djelovanja:
- kisika
- vlagevlage
Različit intenzitet u :
- industrijskoj sredini
- gradskoj sredini
- morskoj sredini
- ruralnoj sredini
ANODA: 2M → Mz+ + ze-
KATODA: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
Parametri koji utječu na brzinu atmosferske korozije
Sastav metala, legure
Debljina elektrolita
Temperatura
Brzina atmosferske
Pasivni filmovi
Produkti korozije
Sastav elektrolita i fizikalna svojstva
atmosferske korozije
Atmosferska korozija
Željezni Kutub-stupkoji ne hrđa
Stanica za ispitivanje atmosferske korozije smještena na obali Atlantskog oceana, Korozijski laboratorij, NASA, Florida
Korozija metala u tlu obuhvaća lokalne elektrokemijske procese potpomognute djelovanjem vodene faze na površini metala.
Ovisi o: vrsti tla, sadržaju vlage u tlu, pristupu kisika iz atmosfere na metalnu površinu, biološkom (prisutnost sulfat reducirajućih bakterija) i kemijskom sastavu tla, sadržaju topljivih iona, pH vrijednost tla i dr.
Korozija u tlu
vrijednost tla i dr.
Diferencijalni aeracijski članak kod korozije u tlu
KATODA KATODAANODA
GlinaPjeskovito tlo Pjeskovito tlo
2 Fe 2Fe2+ + 4e-
O2 + 2H2O + 4e- 4OH-
Korozija uslijed lutajućih struja
-javlja se na podzemnim objektima, cjevovodima ili spremnicima koji nisu zaštićeni katodnom zaštitom
- nezaštićeni objekti postaju anode
1. El. kabel2. Ispravljač3. Struja u tračnicama4. Korozija5. Korozijska struja6. Anodno područje7. Prelazno područje8. Katodno područjeM Elektromotor
Korozija u neelektrolitičkim tekućinama
• Kemijska korozija
• Nafta i razna organska otapala
Korozija u elektrolitima
Elektrokemijska korozija
Javlja se u :Javlja se u :
- kiselinama
- kužinama
- otopinama soli (morska voda)
Korozija u moruKorozijske zone
-zona atmosferske korozije
-zona prskanja/plime-najveća brzina korozije
-uronjena zona
-zona morskog dna –mogućnost mikrobiološke korozije
10
Svojstva morske vode
Cl- ioni– izrazito agresivni-izazivaju depasivaciju nehrđajućeg čelika- korozijski produkti su topivi i ne sprečavaju daljnju korozijukoroziju- prisutni u nastaloj aerosoli – utječu na atmosfersku koroziju-brojni organizmi koji mogu dovesti do pojave obraštaja(mikroorganizmi, školjke, alge..)
Korozija u betonuU građevinarstvu je raširena upotreba armirano betonskih konstrukcija: beton
ojačan ugljičnim čelikom
Beton je lužnat medij (pH>12) i pri tim uvjetima čelik se nalazi u pasivnom stanju
Do korozije može doći zbog depasivacije čelika uslijed:-karbonatizacije – smanjuje pH porne vode u betonu- penetracija Cl- iona
Dolazi do: - nastanka pukotina i odlamanja zaštitnog sloja betona zbog povećanja volumena hrđe- gubitka poprečnog presjeka armature u betonu što uzrokuje smanjenje nosivosti konstrukcije- promjenu mehaničkih svojstava materijala (gubitak vlačne čvrstoće)
Korozija u ljudskom tijelu
• Sve veća primjena implantata – od plombi do umjetnih zglobova i srčanih umetaka
N j ž ij j bi k ibil ij l• Najvažnija svojstva: biokompatibilnost materijala, ne smije biti toksičan za okolno tkivo
• Važno je da materijali budu korozijski otporni jer je ograničen izbor tehnika za zaštitu od korozije
Međudjelovanje ljudskog organizma i implantata
• Ljudsko tijelo-slani elektrolit s otopljenim kisikom, temperaturom 37°C, pH oko 7,4 u slučaju upale pH pada do 5
• Može dovesti do propadanja implantata i gubitka njegove funkcije
• Izazvati reakcije odbacivanja implantata• Da bi se smanjila korozija implantata koriste se postupci
• Najstarija elektronička metoda za mjerenje brzine korozije u industriji (1940-te)
• Česta primjena u naftnoj industriji• Česta primjena u naftnoj industriji
• Žičani element (načinjen od metala koji nas zanima) pričvršćen na odgovarajući nosač i izložen kapljevitom ili plinovitom korozivnom mediju
• Žičani element se stanjuje uslijed korozije a korozijski produkti povećavaju električni otpor
Aparatura za
mjerenje
električnog otpora
13
Određivanje električnog otpora
PREDNOST• Omogućuje kontinuirano praćenje korozijskog
procesa (u kontrolnoj sobi)
NEDOSTACI• Uzorak je potrebno promijeniti nakon što se
istroši• Ne može se odrediti da li se radi o lokalnoj ili
općoj koroziji
Primjena
• Industrijska postrojenja
• Atmosferska korozija
• Praćenje djelotvornosti katodne zaštite
• Korozija karoserije vozila
• Korozija armature
• Zrakoplovi
Analitičke metode
Određivanje koncentracije korozijskih produkata u otopini, volumetrijskim, spektrofotometrijskim, kolorimetrijskim, polarografskim i drugim metodama
Mjerenje dubine pittinga
Mikrometarski komparator s kazaljkom i šiljastim pipalomMikrometarski komparator s kazaljkom i šiljastim pipalomkoji se nekom silom (oprugom) utiskuje u žarište korozije
Mjerenje promjene dimenzija (mikrometarskim vijkom)
Ubrzane metode
Komore za simuliranje i ubrzavanje atmosferske korozije:
1. Klima komora je termostatsko-higrostatski uređaj kojiomogućuje programiranje promjene vlage i temperature u ciklusima. Široki raspon temperatura (od -50°C do + 80°C) irelativne vlažnosti (od 10 do 100%).( )
2. Industrijska (Kesternichova) komora je uređaj s industrijskomatmosferom (H2S, SO2, CO2 itd.).