Ilmastollinen korroosio

Ilmastollinen korroosio MT-0.3301 Korroosionestotekniikan perusteet Ilmastollinen korroosio Ilmastollinen korroosio yleisin korroosiotapahtuma osuus kaikista korroosiotapahtumista yli 80 % Ilmastollisella korroosiolla ymmärretään korroosio-tapahtuma joka johtuu ilman syövyttävästä vaikutuksesta lämpötila-alueella -20... 70 C. Ilmastollinen korroosio tarkoittaa syöpymistä sekä ulkoilmassa että sisätiloissa korroosio varastoinnissa, kuljetuksen aikana ja konservoinnissa 2 3 4 1

Ilmastollinen korroosio ILMASTOTYYPIT Tavanomaisissa ulkoilmaolosuhteissa lähes kaikki hapettuminen tapahtuu sähkökemiallisena korroosiona Ilmastollinen korroosio on siis hyvin monimutkainen tapahtuma joka koostuu metallista, korroosiotuotteista, elektrolyyttifilmistä metallin pinnalla ja ilmastosta Yleisesti ilmaston syövyttävyys luokitellaan ilmastoolosuhteiden mukaan eri rasitusluokkiin 1. Maaseutuilmasto 2. Kaupunki-ilmasto 3. Teollisuusilmasto 4. Meri-ilmasto 5. Erikois-ilmasto(asuinhuone-, varasto-, laboratorio-, teollisuus-, jne. ilmastot) Lisäksi voidaan puhua trooppisesta ilmastosta, aavikkoilmasta ja napaseutuilmasto 5 6 ILMASTON SYÖVYTTÄVYYTEEN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT - ilman koostumus - lämpötila ja kosteus - suhteellinen kosteus - kosteus-kondensio -vaihtelut - kaasumaiset epäpuhtaudet - laskeuma, kiinteät epäpuhtaudet - tuulen suunta Standardeissa ISO 9223 ja SFS-EN ISO 12944-2 on esitetty ilmastollisen korroosion rasitusluokat ja eräiden metallien korroosionopeudet. Ilmastollinen korroosio on jaettu luokkiin C1 C5, joista C1 vastaa hyvin lievää ja C5 hyvin ankaraa korroosiorasitusta. Ympäristön luokittelussa voidaan käyttää märkänäoloaikaa, rikkidioksidipitoisuutta ja kloridikertymää tai raudan ja sinkin korroosionopeutta ensimmäisen vuoden aikana. 7 8 2

Ympäristöluokka C1 C2 C3 C4 C5 Metallin korroosionopeus Yksikkö Teräs Sinkki Kupari Alumiini g/m 2 /vuosi mm/vuosi g/m 2 /vuosi mm/vuosi g/m 2 /vuosi mm/vuosi g/m 2 /vuosi mm/vuosi g/m 2 /vuosi mm/vuosi 0-10 0-1.3 10-200 1.3-25 200-400 25-50 400-650 50-80 650-1500 80-200 0-0.7 0-0.1 0.7-5 0.1-0.7 5-15 0.7-2.1 15-30 2.1-4.2 30-60 4.2-8.4 0-0.9 0-0.1 0.9-5 0.1-0.6 5-12 0.6-1.3 12-25 1.3-2.8 25-50 2.8-5.6 Merkityksetön 0-0.6 0.6-2 2-5 5-10 Luokka Kuvaus Esimerkkejä IC 1 Erittäin alhainen syövyttävyys Lämmitetyt tilat, joissa RH<40% eikä epäpuhtauksia esiinny, esimerkiksi tietokonesalit ja museotilat. Lämmittämättömät tilat, joissa on kosteudenpoisto eikä epäpuhtauksia esiinny, esimerkiksi sotilastarvikkeiden IC 2 IC 3 Alhainen syövyttävyys Keskimääräinen syövyttävyys varastot. Lämmitetyt tilat, joissa RH<50% eikä epäpuhtauksia esiinny, esimerkiksi valvomot ja museotilat. Lämmittämättömät tilat, joissa lämpötila ja kosteus vaihteleva, mutta kondenssia ei esiinny, esimerkiksi varastotilat, joissa lämpötilan vaihtelu on pientä. Lämmitetyt tilat, joissa lämpötila vaihtelee ja tietyille metalleille spesifisiä epäpuhtauksia esiintyy, esimerkiksi teollisuuden kytkentäkaapit. Lämmittämättömät tilat, joissa RH=50-70% mutta kondenssia ei esiinny vaikka epäpuhtauksia esiintyy, esimerkiksi kirkot puhtailla alueilla telekytkentälaatikot kaupungeissa. 9 10 Luokka Kuvaus Esimerkkejä IC 4 Korkea syövyttävyys Lämmitetyt tilat, joissa lämpötila vaihtelee ja tietyille metalleille spesifisiä epäpuhtauksia esiintyy, esimerkiksi teollisuuden sähkötilat. Lämmittämättömät tilat, joissa RH>70% ja kondenssia voi esiintyä ja epäpuhtauksia esiintyy merkittävästi, esimerkiksi kirkot ja telekytkentälaatikot saastuneilla alueilla. IC 5 Erittäin korkea syövyttävyys Lämmitetyt tilat, joissa suhteellisella kosteudella ei ole vaikutusta ja tietyille metalleille spesifisiä epäpuhtauksia esiintyy, esimerkiksi teollisuuden sähkötilat, joissa ei ole ilman puhdistusta. Lämmittämättömät tilat, joissa suhteellinen kosteus on korkea ja kondenssia esiintyy todennäköisesti ja epäpuhtauksia esiintyy merkittävästi, esimerkiksi alinten kerrosten varastotilat. Keskimääräinen syöpymä, mm 0.4 0.3 0.2 0.1 Teräs, teollisuusilmasto Teräs, maaseutuilmasto Säänkestävä, teollisuusilmasto Säänkestävä, maaseutuilmasto 0.0 0 5 10 15 20 25 Aika, vuosi 11 12 3

ISO 9223 mukaan merkittävää korroosiota todennäköisesti ilmenee, kun ilman suhteellinen kosteus on yli 80% ja lämpötila yli 0 C. Vesikalvon syövyttävyys riippuu ympäröivän ilman epäpuhtauksien määrästä ja laadusta. Teräs voi syöpyä ilman suhteellisen kosteuden ollessa vain 40%, jos sen pinnalla on kloridipitoista ruostetta. Erityisesti pölyn ja kerrostumien kasaantuminen metallipinnoille kiihdyttää ja paikallistaa ilmastollista korroosiota. Suhteellinen kosteus Suurin osa metallirakenteista on ilmastorasituksen alaisena. Yleensä kohteen lähiympäristöllä on suurempi merkitys kuin paikkakunnan ilmastolla. Metallin korroosionopeuteen vaikuttaa eniten pinnan märkänä oloaika. Korroosioon riittävä vesikalvo on olemassa, kun ilman suhteellinen kosteus on 80-90%. Tällöin pinta on märkä vaikka näkyvää kosteutta ei olekaan. 13 14 Kriitillinen kosteus Hetkellinen syöpymisnopeus 1000 Sade Aurinko Sade Kaste Aurinko Sade 100 10 1 0 12 24 36 48 60 72 Altistusaika, tunteja Kriitillisellä kosteudella tarkoitetaan sitä ilman suhteellisen kosteuden raja-arvoa, jota suuremmissa kosteuksissa korroosionopeus vasta tulee mitattavaksi. Jos metallin pinta on hyvin likainen, voi lika imeä itseensä kosteutta, vaikka ilman suhteellinen kosteus on alle 60 %. Ääritapauksena voidaan mainita, että esim. kalsiumkloridi voi muodostaa korroosiolle suotuisan elektrolyyttikerroksen, kun ilman suhteellinen kosteus on 35 %. 15 16 4

Lämpötila vaikutus Ilmastollinen korroosio Lämpötilan vaikutus myös ristiriitainen toisaalta lämpötilan nousu edistää syöpymistä kosteuden pysyessä vakiona toisaalta lämmön vaikutuksesta metallipintojen kuivuminen nopeutuu Puhtaassa maaseutuilmastossa ei korroosiota kun lämpötila on alle 0<C Jos metallin pinnalla kuitenkin epäpuhtauksia ja suoloja on olemassa korroosiovaara, kun lämpötila on muutamia asteita alle 0<C, sillä monet suolat alentavat elektrolyytin jäätymispistettä. Normaali korroosiokenno 17 18 Ilmastollinen korroosio Ilmastollisessa korroosiossa nestefilmin paksuus 10 mm 1 mm. Noin mikrometrin paksuinen vesikerros on pysyvä, sillä sen höyrynpaine vastaa 100 % suhteellista kosteutta. Ilmastollisen korroosion mekanismi riippuu tiivistyneen kosteusfilmin paksuudesta:: x < 10 nm, kuiva korroosio 10 nm < x < 1 mm, kostea ilmastollinen korroosio 1 mm < x < 1 mm, märkä ilmastollinen korroosio x > 1 mm, upotusrasitus Ilmastollinen korroosio 19 20 5

Ilmassa esiintyvät epäpuhtaudet ilmassa voi esiintyä joukko erilaisia syövyttäviä aineita, kuten kaasuja, nokea, erilaista pölyä ym. ja nämä määrät vaihtelevat vielä paikallisesti ja vuodenaikojen mukaan. Ilman epäpuhtaudet voivat joutua metallin pinnalle kulkeutumalla sille sateen tai sumun mukana törmäämällä ja adsorboitumalla pinnalle suoraan ilmasta. Kiillotetun teräslevyn ilmastollinen korroosio. Käyrät edustavat ilmasta peräisin olevia eri epäpuhtauksia teräksen pinnalle INCREASE IN WEIGHT, mg/dm 2 180 160 140 120 100 80 60 40 20 Air polluted with 0.01% of SO 2 and particles of charcoal Air polluted with 0.01% of SO 2 only Pure air 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 TEST DURATION, days 21 22 Ilmassa esiintyvät epäpuhtaudet Esim. kun yksi litra sadevettä putoaa kilometrin korkeudesta, huuhtelee se tullessaan 326 m 3 ilmaa ja absorboi tällöin ilman kaasumaisia epäpuhtauksia jolloin sen ph myös laskee. Tyypillinen sadeveden ph on noin 5.5 Kaksi tärkeintä metallin korroosiota kiihdyttävää ilman epäpuhtautta ovat kloridit ja rikkidioksidi. 23 6

TERÄKSEN JA SINKIN KORROOSIOREAKTIOT RIKKIDIOKSIDIPITOISESSA ILMASSA TERÄKSEN JA SINKIN KORROOSIOREAKTIOT RIKKIDIOKSIDIPITOISESSA ILMASSA Zn + SO 2 + O 2 = ZnSO 4 2Fe+ 4SO 2 +4O 2 = 4FeSO 4 4FeSO 4 + O 2 + 6H 2 O = 4FeO(OH) + 4H 2 SO 4 4H 2 SO 4 + 4Fe + 2O 2 = 4FeSO 4 + 4H 2 O 3Zn + SO 2 = ZnS + 2ZnO 2ZnO + 2SO 2 + O 2 = 2ZnSO 4 Zn + 2ZnSO 4 + O 2 = 2ZnSO 4 * 2Zn(OH) 2 2Zn(HCO 3 ) 2 + 2SO 2 + O 2 = 2ZnSO 4 25 26 Kuumasinkitys Säänkestävät teräkset Kuumasinkityn pinnoitteen kestoikä eri ilmastoluokissa: a) kuiva sisätila, b) kostea sisätila, c) puhdas sisämaan ilmasto, d) saastunut sisämaan ilmasto, e) puhdas rannikkoalueen ilmasto, f) saastunut rannikkoalueen ilmasto ja g) meri- tai murtovesiupotus Säänkestävät teräkset ovat niukkaseosteisia rakenneteräksiä, joiden etuna yleisiin rakenneteräksiin verrattuna ovat parempi kestävyys ilmasto korroosiota vastaan Teräksiin lisätään pieniä määriä kromia ja kuparia Teräksen pinnalle kehity ilmastorasituksen vaikutuksesta lujasti kiinni pysyvä, tiivis oksidikerros 27 28 7

Säänkestävät teräkset Säänkestävät teräkset KESKIMÄÄRÄINEN SYÖPYMÄ, mm 0,20 0,15 0,10 0,05 Rakenneteräs Säänkestävä teräs, COR-TEN Havainnekuva säänkestävän teräksen (vasemmalla) ja tavallisen hiiliteräksen (oikealla) korroosiotuotekerrosten rakenteista 0,00 0 5 10 15 20 25 30 AIKA, vuosia 29 30 Kuparin patinoituminen Kuparipatinaa Sulfaatti Nitraatti Sulfaatti+ Nitraatti+ Kemiallisesti rautaoksidi rautaoksidi oksidoitu Kuparipatinan muodostuminen eurooppalaisessa teollisuuskaupungissa THE COPPER BOOK for Architecture, Outokumpu Copper, first edition 2002. 32 8

Korroosio maaperässä Maa korroosioympäristönä sekä kemiallisessa että fysikaalisessa mielessä heterogeenisempi kuin ilma tai vesi. Korroosion sähkökemialliset perusreaktiot samat, maassa niiden luonne ja nopeus riippuu monista tekijöistä. Maaperän syövyttävyys vaihtelee laajasti riippuen maaperän rakenteesta ja koostumuksesta. Mahdollisia korroosiokohteita Putkistot Viemäri, vesi, kaukolämpö Öljytuotesäiliöt Omakotitalojen polttoöljysäiliöt Huoltoasemien säiliöt Teräsperustukset Betonirakenteiset perustukset Betoniteräkset Arkeologia Ydinjätteen loppusäilytys kalliossa Cu, korroosionkesto 100 000 v 33 34 Korroosio maaperässä Happipitoisuuserot maaperässä Teräksen korroosionopeus neutraalissa maaperässä luokka 10-50 mm vuodessa syövyttävässä maaperässä 50-200 mm vuodessa anaerobisessa maaperässä 100-400 mm vuodessa Suojaamattomien metallien korroosio tasaista karkeissa maalajeissa, joiden hapenläpäisevyys hyvä Paikallinen korroosio aiheutuu maaperän happipitoisuuden eroista bakteeritoiminnasta galvaanisista virroista hajavirroista Putkilinjojen nopea korroosio voi johtua happipitoisuuseroista maaperässä, jolloin niukasti happea saavat putken osat muodostuvat anodisiksi 35 36 9

Korroosio maaperässä Suomen maaperien ominaisvastus- ja ph-arvot Suomen maaperälle tyypillistä ohut kerrospaksuus vaihtelevat maalajiosuudet Korroosion kannalta merkittävää veden määrä veden koostumus Merkittävin korroosiota aiheuttava maalajiryhmä hienojakeiset maalajit savet ja siltit Karkearakeiset maalajit ja moreenit eivät yleensä korroosion kannalta vaarallisia Turpeet ja liejut korroosion kannalta hienojakoisiin maalajeihin verrattavia Ominaisvastus, W m Maalaji Keskimäärin Vaihtelu ph Savi 40 25...70 4,9...5,7 Savensekainen hiekka 100 40...300 5,4 Lieju, turve, muta 150 50...250 3,6...5,1 Hiekka, hieta 2000 1000...3000 4,8...5,6 Moreenisora 3000 1000...10000 4,9...5,5 Harjusora 15000 3000...30000 4,6 37 38 Korroosio maaperässä Maaperän syövyttävyyteen vaikuttavia tekijöitä ovat maaperän vesi- ja happipitoisuus veden ja ilman läpäisykyky happamuus eli ph-arvo maan ominaisvastus syövyttävät yhdisteet, kuten veteen liuennet suolat ja happoa muodostavat aineet mikrobitoiminta ja redoksipotentiaali sekä hajavirrat Korroosio maaperässä Maaperän happamuus johtuu epäorgaaniset- ja orgaaniset hapot suolat - esim. alunamaissa Al 2 (SO 4 ) 3 ja Fe 2 (SO 4 ) 3 - hydrolyysistä ioninvaihto maan kolloideissa Epäorgaanisia happoja syntyy kemiallisessa rapautumisessa Orgaanisia happoja eloperäisten aineiden maatuessa 39 40 10

Maaperälajit Maaperälajit luokitellaan kahteen pääluokkaan eloperäiset maat, joihin kuuluu liejumaat ja turve, ja kivennäismaat Eloperäisessä maalajeissa on orgaanisten happojen osuus suuri Vesipitoisuus on eloperäisissä maalajeissa suuri ja hapen diffuusio hidasta Kivennäismaissa on hapen diffuusionopeus metallin korroosiota säätelevä tekijä Redox-potentiaalin ja maaperän syövyttävyyden välinen yhteys Redoksipotentiaali NHE:n suhteen Anaerobisten bakteerien aiheuttama korroosio < 100 mv voimakas 100...200 mv kohtalainen 100...200 mv heikko > 400 mv ei korroosiota 41 42 Maaperän syövyttävyys arvioituna ominaisvastuksen perusteella Korroosio maaperässä Maan ominaisvastus W m Syövyttävyys < 10 erittäin suuri 10...30 suuri 30...50 suurehko 50...100 kohtalainen 100...200 pieni >200 erittäin pieni Maaperälle on olemassa erilaisia arviointikriteerejä joiden perusteella päätetään korroosioneston tarpeellisuus ja korroosionestomenetelmät. Valuraudoille: jos pistesumma > 10, korroosioesto syytä tehdä 43 44 11

Hajavirtojen aiheuttama korroosio Hajavirtojen aiheuttama korroosio Ulkopuolisen virtalähteen aikaansaamaa materiaalin syöpymistä. Tasavirrat ovat huomattavasti vaarallisempia kuin vaihtovirrat. Erilaisista sähkölaitteista, kuten muuntajista sähköjunien ja raitiotievaunujen raiteista, korkeajännitteistä voimajohdoista sähkökoneen huono maadoitus katodisesti suojatuista putkistoista, sähköradoista ja kaapeleista, Maaperään vuotava virta hakeutuu mielellään maaperässä oleviin metalleihin, koska metallissa on pienempi vastus sähkön kululle kuin maaperässä. Tasavirta aiheuttaa korroosiota siinä kohdassa, jossa se poistuu metallista. 1 As pystyy tuhoamaan vuodessa esim. 10 kg terästä tai 11 kg kuparia. 45 46 Hajavirtojen aiheuttama korroosio Anodiksi joutunut metallipinta syöpyy. Katodiksi tullut metallipinta vaurioituu siksi että vetyionien purkautumisen johdosta katodialue tulee alkaliseksi. Alkalisuus aiheuttaa maaperässä ja maaperässä olevissa materiaaleissa kuten betonissa sekundäärisiä syöpymäreaktioita. Mikäli kyseessä on amfoteeriset metallit kuten sinkki, alumiini ja lyijy, vaurioituvat ne suurilla alkalisuuksilla. Teräs sitä vastoin suojautuu katodialueen negatiivisen potentiaalin ansiosta. Teräspaalujen käyttö pientalojen perustamisessa Korroosio otetaan normaalisti huomioon ns. ylimitoituksella, jolloin käyttöiän (yleensä 100 vuotta) aikana tapahtuvaa teräksen syöpymää ei oteta huomioon paalun rakenteellisen kantavuuden mitoituksessa Suositus 1,2 mm korroosiovaraa 100 vuodelle 47 48 12