Corrosie

Corrosie is de aantasting van materialen door inwerking vanuit hun omgeving, en in het bijzonder de aantasting van metalen door middel van elektrochemische reacties. Aantasting door puur mechanische invloeden, zoals schuren en breuk door een botsing of val worden niet tot corrosie gerekend.

De bekendste soorten corrosie zijn de aantasting van metaaloppervlakken door gassen in de lucht, zoals het roesten van ijzer en het groen uitslaan van koper. Echter, ook in waterig milieu en bij hoge temperatuur kan corrosie optreden en het kan ook keramische materialen en kunststoffen betreffen.

Corrosie brengt veiligheidsrisico's (falen van dragende constructies) en grote kosten met zich mee. Per seconde gaat er wereldwijd zo'n 5 ton staal door corrosie verloren. De kosten worden geschat op 2% van het Bruto Nationaal Product.

corrosie_groen.jpg Chemische reactie roest.png

Corrosiemechanismen

Diverse typen corrosie kunnen onderscheiden worden, waarbij verschillende chemische reacties een rol spelen.

De belangrijkste corrosiereactie is die waarbij zuurstof uit de atmosfeer in combinatie met water of vocht uit de atmosfeer reageert met ijzer of een ander metaal en dit weer terugbrengt in de geoxideerde toestand waarin het oorspronkelijk ook aanwezig was in de aarde.

Het doel van corrosiebescherming is dus dit natuurlijke proces zoveel mogelijk te vertragen.

In zout water worden alle corrosieprocessen versneld hoewel ook daarin zuurstof de oxydator is. Maar door de natrium- en de chlorideionen is het geleidingsvermogen daarin veel hoger dan in zuiver water en is de kortsluitstroom van de corrosiecel ook veel hoger.

Het aflezen van de precieze corrosiereactie in een bepaald milieu kan gebeuren middels het Pourbaixdiagram.

Zuurstofcorrosie

Bij zuurstofcorrosie worden opgeloste zuurstofmoleculen gereduceerd tot hydroxide (OH^-) ionen, waarbij het metaal gelijktijdig reageert tot een oxide.

Het roesten van ijzer is een voorbeeld van zuurstofcorrosie.

Dit kunnen we eenvoudiger presenteren door de reactie weer te geven als enkele (denkbeeldige) halfreacties:

6 H₂O + 3 O₂ + 12 e^- -> 12 OH^-
4 Fe -> 4 Fe³⁺ + 12 e^-
4 Fe³⁺ + 12 OH^- -> 2 Fe₂O₃ + 6 H₂O

Deze halfreacties leveren samen:

4 Fe + 3 O₂ -> 2 Fe₂O₃

Zuurstofcorrosie treedt in een vochtige omgeving die neutraal of basisch is. Voorts moet de metaal/metaaloxide reactie een lagere standaardpotentiaal hebben dan het redoxpaar 0₂/OH^- (0,4 Volt).

Uniforme corrosie

Dit is het uniform roesten van oppervlakten zonder beschermden oxidelaag. De snelheid van dit type corrosie hangt in eerste instantie af van de luchtvochtigheid. In zee of industriele omstandigheden (aanwezigheid van Cl- ionen of SO₂) ontstaan hygroscopische roestproducten, die de roestvorming sterk bevorderen.

Zuurcorrosie

Bij de zuurcorrosie reageren metalen met een zuur tot een metaalzout en waterstofgas.

Zuurcorrosie treedt op als er een combinatie van metalen is die samen een galvanisch element vormen (bijvoorbeeld Zink en Koper in een zuurhoudend elektroliet (pH < 7).

Spanningscorrosie

Spanningscorrosie treedt op in bepaalde metalen onder de gelijktijdige inwerking van een corrosief medium en trekspanningen. Zonder de trekspanningen zou hetzelfde corrosieve medium veelal geen noemenswaardige aantasting van het metaal veroorzaken. Voor spanningscorrosie wordt vaak de afkorting SCC gebruikt (Engels: Stress Corrosion Cracking).

Zoals de Engelse afkorting al suggereert, in het Nederlands wordt officieel ook gesproken van scheurvormende spanningscorrosie. Er ontstaan scheuren in de legering.

Het bekendste voorbeeld van scheurvormende spanningscorrosie is chloride spanningscorrosie in roestvast staal. Dit treedt op als wordt voldaan aan drie voorwaarden:

Aanwezigheid van chloride in het water. Dit hoeft maar heel weinig te zijn, leidingwater met 50 mg/liter bevat al genoeg chloride.
Een temperatuur hoger dan 50-60 graden Celsius. Sinds tien jaar is gebleken dat in binnenzwembaden de temperatuur veel lager is. In Steenwijk is in 2001 een heel plafond ingestort en in Uster (Zwitserland) is in 1985 een betonnen zwembaddak ingestort ten gevolge van scheurvormende spanningscorrosie in roestvaststalen bevestigingsmiddelen. Hierbij waren twaalf doden te betreuren.
Aanwezigheid van trekspanningen in het onderdeel. Deze spanningen kunnen ook spanningen ten gevolge van 'koude deformatie' zijn.

Corrosie door zwerfstromen

De belangrijkste bronnen van zwerfstromen in de bodem zijn de spoor- en tramlijnen en enkele grote elektrolysebedrijven (chloor- en aluminiumproductie). Je zou het een elektrische bodemvervuiling kunnen noemen.

Wisselstromen zijn betrekkelijk ongevaarlijk. Maar gelijkstromen kunnen de oorzaak zijn van aantasting van metalen voorwerpen in de bodem zoals pijpleidingen en olie- en benzinetanks. Zwerfstromen gaan gedeeltelijk door deze metalen voorwerpen en daarbij ontstaan anode- en kathodeplaatsen. Meestal op vaste plaatsen zodat er op de anodeplaatsen versnelde corrosie optreedt.

Putcorrosie

Putcorrosie treedt op bij materialen die zich tegen corrosie beschermen met een oxide-laag. Bij putcorrosie penetreren deeltjes (vaak chloride-ionen) de beschermende laag.

De gevoeligheid van een legering voor putcorrosie wordt aangegeven met de pitting resistance equivalent, PRE.

Spleetcorrosie

Zoals de naam aangeeft treedt spleetcorrosie op in spleten en kieren die opgevuld raken met water. In deze kieren en spleten kan het water niet voldoende ververst worden, zodat het water een andere, gevaarlijker, samenstelling krijgt.

Interkristallijne corrosie

Interkristallijne corrosie is het ontstaan van roest langs de korrelgrenzen van een legering. De kristallen zelf blijven vrijwel onaangetast, maar het metaal verliest wel zijn samenhang. Hoewel slechts een kleine hoeveelheid legering corrodeert, kan de schade zeer groot zijn.

Deze corrosie ontstaat vaak wanneer het materiaal een lange tijd op relatief hoge temperatuur wordt gehouden, hierdoor segregeert de chroom door de vorming van chroomcarbide Cr₂₃C₆ (deze stof is erg rijk aan chroom, die de corrosievorming tegengaat).

Dit proces wordt tegengaan door verminderen van de concentraties van de stoffen die tot de vorming van het carbide zorgen: het toepassen van staal met een extra laag koolstofgehalte (type L staal), of door het staal te stabiliseren door titanium, niobium, of tantalum toe te voegen (aangeduid met de toevoeging Ti, Nb of Ta).

Effecten van corrosie

Corrosie leidt tot sterkteverlies, omdat de corrosieproducten (oxides en zouten) veel zwakker zijn dan het metaal. De corrosieproducten brokkelen af en de metalen delen worden dunner. Op deze wijze kunnen zelfs gaten vallen in metalen platen.

Een bijkomend probleem is, dat de corrosieproducten een groter volume innemen dan het metaal. Door uitzetten van het materiaal kan een constructie ontwricht worden. Dit treedt bijvoorbeeld op in de vorm van betonrot, waarbij het wapeningsstaal van gewapend beton gaat roesten.

Bij sommige soorten van corrosie wordt een ondoordringbaar laagje metaaloxide gevormd, waardoor het corrosieproces wordt gestopt. Dat is de verklaring voor het feit dat aluminium nauwelijks roest, hoewel het op zich zelf zeer gevoelig is voor corrosiereacties.

Corrosiepreventie

Constructieve details

Een van de manieren om corrosie te vermijden is ervoor zorgen dat water niet langtijdig op de constructie kan blijven staan. Dit water is nodig als transportmiddel van de reactieproducten.

Materiaalkeuze

Het ene materiaal is gevoeliger voor corrosie dan het andere. De eerste methode van corrosiepreventie is het kiezen van een corrosiebestendig materiaal.

Beschermende laag

De volgende methoden schermen het kwetsbare materiaal af van het corrosie medium (bijvoorbeeld de buitenlucht):

Coatings (verven of lakken)
Verzinken, bijvoorbeeld door galvaniseren
Emailleren, bekend van kookgerei.
Anodiseren van aluminium; daarbij wordt elektrochemisch een aluminiumoxide laag gevormd op het materiaal, die verdere corrosie belemmert.

Bij sommige materialen (aluminium, roestvrij staal) is dit niet nodig: het oxide vormt een hechte, aansluitende en beschermende laag rond het metaal. Dit in tegenstelling tot ijzer, waarvan de oxide een poreus laagje is. In het eerste geval wordt het oxideren van de dieperliggende delen belet, in het tweede geval niet.

Kathodische bescherming

Kathodische bescherming berust op het principe van potentiaalverlaging van het te beschermen object. Door de potentiaal voldoende te verlagen wordt de anodereactie van ijzer tot ijzerionen zo sterk vertraagd dat hij praktisch te verwaarlozen is. Het te beschermen voorwerp (bijvoorbeeld een pijpleiding in water of in de grond) wordt daarbij kathode. Aan deze buis vindt alleen de kathodische zuurstofreductie plaats. De stroom die daarvoor nodig is wordt meestal beschermstroom genoemd. De benaming 'beschermstroom' is eigenlijk incorrect, want het gaat om de potentiaal en die moet dan ook regelmatig gecontroleerd worden.

Een kathodische bescherming wordt uitgevoerd met een galvanisch systeem of met een stroomopdruksysteem.

Kathodische bescherming wordt meestal toegepast in combinatie met een coating op het te beschermen systeem.

Kathodische bescherming met galvanisch systeem, met behulp van een offeranode

Scheepsschroeven en gasleidingen worden beschermd door ze elektrisch te verbinden met een groot stuk metaal dat een lagere potentiaal heeft dan het te beschermen metaal, bijvoorbeeld zink. Dit stuk metaal zal geleidelijk wegcorroderen en daarbij het ermee verbonden onderdeel beschermen. De bekendste voorbeelden van kathodische bescherming met opofferings anodes zijn: - scheepshuiden, met name in de buurt van de schroef omdat daar galvanische corrosie door bronzen onderderdelen (schroef en schroefaslager) moet worden gecompenseerd door onedele anodes. - Damwanden in kademuren van zeehavens. - Offshore platforms. Bij een goed KB ontwerp hoeft niet te worden gecoat (geverfd). Op de Noordzee staan legio platforms die na 20 jaar nog geen spoor van aantasting laten zien. Bij een goed KB ontwerp ontstaat van nature een beschermend laagje calciumcarbonaat (kalk) op het stalen oppervlak. Het is ook mogelijk om roestvaststaal te beschermen met opofferings anodes.

Kathodische bescherming met een stroomopdruksysteem

Een stroomopdruksysteem maakt gebruik van inerte anoden welke een zeer lange levensduur hebben. Een stroomopdruksysteem wordt eveneens toegepast bij grote te beschermen oppervlakken (pijpleidingen, kaaimuren, tankparken, ...) waar anders een te groot aantal galvanische anoden (Mg, Zn, Al) nodig zijn om het object (de kathode) te beschermen. Een stroomopdruksysteem kan de beschermstroom eveneens automatisch bijsturen in functie van bepaalde wijzigende bodemcondities (grondwaterstand, zwerfstromen, ...).

Bescherming tegen zwerfstromen

Door potentiaalverlaging op kwetsbare plaatsen met behulp van offeranoden of met opgedrukte stroom kan men de zwerfstroomcorrosie bestrijden.

De zwerfstroomrisico's zijn het grootste bij pijpleidingen die parallel lopen met spoor- of tramlijnen, bijvoorbeeld in tunnels. Door het maken van goed geleidende dwarsverbindingen tussen rail en buis neemt de parallelgeleiding daarbij wel toe maar de corrosieschade neemt af. Want er zijn dan veel minder intree en uittree plaatsen voor de gelijkstroom.

Externe links

Nederlands Corrosie Centrum

Metaaltechniek

Gourt Home::Gourt :: Corrosie