MT Korroosionestotekniikan perusteet

Transkriptio

1 Kurssin sisältö MT Korroosionestotekniikan perusteet dosentti Jari Aromaa Materiaalien, erityisesti metallien korroosioilmiöt sähkökemiallisen teorian pohjalta. Metallien liukenemisen perusteet ja kinetiikka. Korroosiota säätelevät ja ehkäisevät tekijät metalleissa ja korroosioympäristössä. Katsaus korkealämpötilakorroosioon 2 Kurssin tavoitteet Kurssin tavoite on opettaa opiskelijalle korroosion ja korroosioneston sähkökemiallinen tausta. Kurssin suoritettuaan opiskelija osaa käyttää E-pH- ja Evansin diagrammeja korroosioilmiöiden aiheuttajien selvittämiseen, tietää metallin passivoitumisen merkityksen korroosionestossa, tietää tärkeimmät korroosioympäristöt ja niissä vaikuttavat tekijät, tietää korroosiomuodot ja niiden mekanismit, osaa oikealla suunnittelulla, materiaalinvalinnalla ja pinnoituksella estää korroosiovaurioita ja tuntee muut korroosionestomenetelmät. Yleisinä akateemisina valmiuksina opiskelija osaa laatia työselostuksen kokeellisesta tutkimuksesta. Turvallisuus Ulkonäkö Betoni halkeilee Kattopellit Yllättävä tilanne Raha Vantaan kaupunki palelee Riesa Putkiremontti Sinkitty kori Auto KORROOSIO Vakuutus ei korvaa korroosiovahinkoja Takuu Ruosteiset romulaivat Rauta ruostuu Sinkityt tolpat Muovi ei ruostu Maalia pintaan Ruostumaton teräs 1

2 TAUSTAA Metallien taipumus syöpyä on tunnettu varmasti yhtä kauan kuin ihmiskunta on hyödyntänyt metalleja. Jalometallien taipumus muuttaa väriään lienee vanhimpia esimerkkejä korroosiosta. Samaan luokkaan voidaan lukea myös patsaiden patinoituminen, jossa korroosio aiheutti lähinnä esteettisiä haittoja. Korroosion vaarallisempia vaikutuksia ei havaittu, ennen kuin metalleja alettiin käyttää rakenteisiin, koneisiin ja laitteisiin, korroosion yleistyminen ajoittuu teolliseen vallankumoukseen 1800-luvulla. 1. Ruostuminen materiaalien korroosio ja korroosionesto silta romahti jännityskorroosion takia 3. Hydrometallurgia metallien valmistus liuosten avulla kuparia tehdään liuottamalla kiveä Korroosion ja hydrometallurgian professuuri ennen Hydrometallurgian ja korroosion professuuri nyt 2. Pintakäsittelytekniikka maalaus ja muut pinnoitteet kemiallisesti värjätty kuparikatto 6 Ruoste 7 2

3 JOHDANTO Korroosio on luonnollinen tapahtuma, jossa materiaali pyrkii palaamaan energeettisesti edullisimpaan olomuotoon. Korroosio on metallin fysikaalis-kemiallinen reaktio ympäristönsä kanssa, mikä aiheuttaa muutoksia metallin ominaisuuksiin ja mikä usein voi johtaa metallin, sen ympäristön tai teknisen järjestelmän vaurioihin. Korroosio on välttämätön luonnonlakien mukainen tapahtuma, joka on pakko hyväksyä ja jota ei voida milloinkaan pysäyttää. Korroosionestotekniikan pyrkimyksenä ei ole toimia luonnonlakeja vastaan vaan hidastaa materiaalin tuhoutumista käyttäen hyväksi kaikkia toteuttamiskelpoisia ja taloudellisia keinoja. Korroosio on sähkökemiallinen ilmiö, jonka teoria on muotoutunut ajan kuluessa yksinkertaiseksi ja selkeäksi, mutta jonka käytäntö on vaikuttavien tekijöiden suuresta määrästä johtuen vaikeasti ennustettavissa. Korroosion teorian ymmärtäminen on oleellista toimivien korroosionestoratkaisujen löytämiseksi. 3

4 Korroosiotapahtumaan ja sen kulkuun vaikuttavat samanaikaisesti monet eri luonnonilmiöt ja lait. Korroosioilmiöiden selvittäminen ei ole vain yhden tieteen yksityisoikeus. Korroosioilmiöiden tieteellinen tutkimus on hyvin vaikeata tai suorastaan mahdotonta Ilmastollinen korroosio ja upotusrasituksessa tapahtuva korroosio vaikuttavat ensi silmäyksellä täysin eri asioilta, mutta niillä on aivan sama tausta. Ilmastollinen korroosio tapahtuu ohuessa nestekalvossa, joka muodostuu kun ilman suhteellinen kosteus on riittävän suuri, yleensä rajana pidetään 80 %. Upotusrasituksessa syöpyvä rakenne on upotettuna nesteeseen, jolloin aineensiirto on yleensä hyvä ja siten korroosionopeus suurempi kuin ilmastollisessa korroosiossa. Korkealämpötilan korroosiolla tarkoitetaan metallin tai metalliseosten syöpymistä kaasussa korkeassa lämpötilassa, eli toisin sanoen ympäristössä, jossa metallin pinnalle ei muodostu vettä. TAUSTAA Korroosio on väistämätön ilmiö, joka johtuu siitä, että metallin valmistuksessa käytetään suuri määrä energiaa, joka kasvattaa metallin energiasisältöä verrattuna malmiin. Metalli pyrkii vapautumaan tästä energiaylimäärästä reagoimalla ympäristönsä kanssa, itse asiassa muuttumaan takaisin malmiksi. 4

5 ENERGIASISÄLTÖ Materiaalin energiakaari KORROOSION TAUSTAA Metallituotteiden valmistus Malmi Sulatus Lopputuote Louhinta, jauhatus ja rikastus Kierrätys Romu Korroosiotuote 1949, The Cost of Corrosion in the United States (Uhlig), vuosikustannukset USA:ssa 5.5 mrd USD eli 2,1% BKT:sta 1970, Report of the Committee on Corrosion and Protection. (Hoar), vuosikustannukset UK:ssa 1365 milj. GBP eli 3,5% BKT:sta, 20-25% kustannuksista olisi vältettävissä. 1978, Battelle-NBS, metallien korroosion vuosikustannukset USA:ssa 70 mrd USD eli 4.2% vuoden 1975 BKT:sta, 15-40% kustannuksista olisi vältettävissä , CC Technologies, suorat vuosikustannukset USA:ssa 279 mrd USD, eli 3,2% BKT:sta, välilliset kustannukset ainakin yhtä suuret UUTISIIN PÄÄSSEITÄ KORROOSIOTAPAUKSIA: Bhopalin kemiantehtaan kaasuvuoto Intiassa Aloha Airlinesin Boeing 737-matkustajakoneen katon irtoaminen Han-joen sillan romahtaminen Soulissa Vuotaneen kaasuputken räjähdys junaonnettomuuden yhteydessä Venäjällä Soodakattilaräjähdys Cellardennes-sellutehtaalla Belgiassa Uimahallin kattoromahdus, Uster 1985, Rauhalahti Prudhoe Bay, öljyputkivuoto Alaskassa UUTISIIN PÄÄSSEITÄ KORROOSIOTAPAUKSIA: Henkilöautot? Lain mukaan vaaditaan 6 vuoden suojaus. Takuumääräykset eivät ole aina selkeitä. On ehdotettu vaatimusta vuoden takuuajasta ja jotkut valmistajat antavat jo nyt 12 vuoden takuun aivan tavallisillekin autoille. Kori ei aina ole pääongelma, pakoputket, jarrujärjestelmä, pyörien ripustus ja polttoainetankki syöpyvät usein. 19 5

6 UUTISIIN PÄÄSSEITÄ KORROOSIOTAPAUKSIA: Viemäriräjähdys, Guadalajara, Meksiko kuollutta, 1500 loukkaantunutta, 1600 rakennusta vaurioitui. Vesijohtoputki vuoti, vettä bensiinilinjan päälle, joka syöpyi puhki, bensiiniä viemäriin, 9 räjähdystä. Tankkialus Erika, Ranskan rannikko Korroosiovaurioita todettu 1994, alus sai jatkaa ilman toimenpiteitä. Alus katkesi myrskyssä, tonnia raakaöljyä mereen ja rannoille Jodanto TÄTÄ LUKIESSASI RAUTAA RUOSTUU KILOA Ohessa Winston S. Churchillin suhtautuminen laivojen lauhduttimien korroosioon 1. maailmansodan ajalta. Lauhduttimien korroosio piti enemmän Englannin laivaston aluksia poissa toiminnasta kuin Saksan laivaston aiheuttamat vauriot. Churchill lienee jopa todennut näin jossakin tilaisuudessa ja tästä on muodostunut korroosioalan oma legenda. 23 6

7 Korroosion sähkökemiallinen perusta Korroosio perustuu metallin pinnalla tapahtuviin sähkökemiallisiin hapettumis- ja pelkistymisreaktioihin. Sähkökemiallisten korroosioilmiöiden kuvaamiseksi on usein käytetty korroosiokennoa. Korroosiossa syöpyvä metalli luovuttaa sähköenergiaa elektronien muodossa ja elektronit käytetään katodisessa reaktiossa. Käytännössä yleensä jokin liuoksessa oleva tekijä (hapetin) käynnistää katodisen reaktion, johon tarvittavat elektronit saadaan anodisesta reaktiosta. KORROOSIOKENNO Metallit ovat epähomogeenisia materiaaleja epähomogeenisessa ympäristössä, ja niiden pinnalle muodostuu aina luonnostaan korroosiopareja. Korroosiopari on mikroskooppisessa mittakaavassa havaittavissa oleva ilmiö, jota sellaisenaan ei juurikaan voi siirtää käytäntöön. Korroosioparin toiminnan ymmärtäminen helpottaa toimivien korroosionestoratkaisujen kehittämistä. PASSIVOITUMINEN Potentiaalierojen syntyyn johtavia tekijöitä. Monien metallien käyttö perustuu passivoitumiseen. Passivoitumisella tarkoitetaan metallin kykyä muodostaa pinnalleen suojaava reaktiotuotekerros, joka pystyy korjaamaan itsensä vaurioiduttuaan. Tyypillisiä passivoituvia metalleja ovat ruostumattomat teräkset, alumiini ja titaani. Passivoituvilla metalleilla yleisen korroosion nopeus laskee muodostuvan oksidisen reaktiotuotekerroksen ansiosta, mutta passiivisessa tilassa saattaa esiintyä paikallista korroosiota. Sisäiset: Pinta: Elektrolyyttiin liittyvät tekijät: METALLIIN LIITTYVÄT TEKIJÄT Metallin epähomogeenisuus Raerajojen erikoisominaisuudet Raerakenteen virheet Rakeiden erilainen orientoituminen Paikallisesti erilainen lämpö- tai muu käsittely Oksidi- tai muu pintakalvo ei ole aukoton Työstö (pinnan epätasaisuus, naarmut, kohonemat, terävät reunat ja kulmat) Kappaleen muoto Vaikuttavat mekaaniset jännitykset eivät ole kaikkialla saman suuruiset Liuenneen aineen väkevyys vaihtelee elektrolyytissä metallin pinnan eri kohdissa. Väkevyyseroja syntyy raoissa, koloissa, kuopissa ja kosketuskohdissa. Niitä saa edelleen aikaan elektrolyytin paikallinen sekoittaminen, kuumentaminen, valaiseminen ja haihduttaminen. 7

8 Erilaiset faasit Pintaan jäänyt partikkeli Erkauma raerajalla Sulkeuma KORROOSIOKENNO Merivesi Anodi Katodi Teräs Veteen liuennut happi kulkeutuu pinnalle, jossa se pelkistyy. Fe Fe Anodi Fe = Fe e - 4 e - Katodi O + 2 H 2 2O + 4e- = 4 OH- Sähkökemialliset reaktiot, elektronit siirtyvät anodialueelta katodille. Hitsisauma Syöpynyt pinta Fe 2+ Fe 2+ OH- OH- OH - OH - Jännityksen alla oleva alue HAZ Vaurio oksidikerroksessa Iskujälki Vanha osa Uusi osa Fe Fe Anodi Katodi Reaktiotuotteet poistuvat liuokseen, anodilta on liuennut rautaa, katodi ei ole muuttunut. e - Zn Cu ZnSO 4 CuSO 4 Zn = Zn e - anodinen liukeneminen Cu = Cu e - katodinen saostuminen 31 8

9 Korroosiokenno KORROOSIOKENNO Seuraavaksi Hankkikaa pruju Unigrafian kirjakaupasta Jari Aromaa: Korroosionestotekniikan perusteet Kurssissa on avoin kirjatentti, pruju ja luentokalvot saavat olla mukana. Kotilaskut ja labraharjoitukset II periodilla. Arviointiin vaikuttavat tentti 60%, laboratoriotyö 20% ja kotilaskut 20%. Seuratkaa MyCourses sivustoa, nopeat aikataulumuutokset mahdollisia. Varmistakaa, että Oodissa ja MyCourses-profiilissa on ajantasaiset yhteystiedot 9