Korozja jest jednym z głównych problemów, które dotykają przemysł naftowy i gazowy, szczególnie w warunkach podmorskich, w których struktury narażone są na ekstremalne warunki atmosferyczne i agresywne środowisko morskie. Pod wpływem działania wody morskiej, soli, gazów oraz zmieniających się temperatur, stal i inne metale, powszechnie używane w budowie takich struktur, zaczynają ulegać uszkodzeniom. Choć metale i stopy o podwyższonej odporności na korozję, zawierające takie pierwiastki jak chrom czy nikiel, mogą wykazywać lepsze właściwości ochronne, to same nie zapewniają wystarczającej trwałości w tych trudnych warunkach. W związku z tym, konieczne jest zastosowanie dodatkowych środków, które będą wspomagać ochronę przed korozją i zapewnią długowieczność tych konstrukcji.

W przemyśle naftowym kluczowym zagadnieniem jest zapobieganie korozji, zwłaszcza w instalacjach wydobywczych, które są umiejscowione w trudnodostępnych miejscach, takich jak dno morza, czy też w głębokich odwiertach. Istnieje wiele metod, które pomagają w walce z korozją, ale należy je dobierać w zależności od rodzaju środowiska, w którym działają.

Jedną z najczęściej stosowanych metod ochrony przed korozją w takich warunkach jest ochrona katodowa. Ten proces polega na zastosowaniu metalu, który działa jako katoda w ogniwie elektrochemicznym, przez co zapobiega reakcji korozyjnej na powierzchni chronionego materiału. Z kolei, powłoki ochronne stanowią kolejną, równie skuteczną metodę. Tworzą one fizyczną barierę, która uniemożliwia kontakt metalu z agresywnym środowiskiem. Jednakże współczesne badania nad powłokami ochronnymi wykazały, że same warstwy ochronne mogą być jeszcze bardziej efektywne, jeżeli zostaną wzbogacone o właściwości samonaprawiające, a także antyfoulingowe (zapobiegające osadzaniu się organizmów morskich). Takie właściwości zwiększają nie tylko efektywność powłok, ale i ich trwałość.

Pod względem doboru materiałów, duże znaczenie ma również rozwój nowych technologii związanych z inhibitorami korozji. Substancje te działają na poziomie molekularnym, zmieniając procesy elektrodowe w metalach i neutralizując czynniki sprzyjające korozji. Współczesne badania nad inhibitorami często bazują na nanotechnologiach. Nanocząsteczki, takie jak nanorurki węglowe czy fullerene, wykazują wyjątkową skuteczność w ochronie przed korozją. Ponadto, badania nad wykorzystaniem naturalnych ekstraktów roślinnych jako inhibitorów są obiecującą alternatywą, szczególnie w kontekście ekologicznych rozwiązań. Te substancje bioaktywne mogą oferować dobry kompromis między efektywnością ochrony a dbałością o środowisko.

Warto zauważyć, że nie wszystkie techniki ochrony są równie skuteczne w różnych warunkach. W środowiskach o dużym stężeniu chlorków, takich jak woda morska, odporność materiałów na korozję zależy nie tylko od samego rodzaju powłok, ale także od właściwego ich przygotowania i zastosowania. W takim przypadku niezwykle istotne jest przeprowadzanie systematycznych testów, które pozwolą na wczesne wykrycie problemów związanych z uszkodzeniami powłok ochronnych lub materiałów konstrukcyjnych.

Równocześnie, nie można zapominać o regularnym monitorowaniu stanu technicznego infrastruktury. Nowoczesne technologie elektrochemiczne pozwalają na prowadzenie ciągłego monitoringu procesów korozyjnych, co umożliwia wczesne wykrycie problemów i przeprowadzenie niezbędnych działań prewencyjnych.

Wszystkie te działania mają na celu zwiększenie trwałości instalacji naftowych i gazowych oraz obniżenie kosztów związanych z naprawami i wymianą elementów konstrukcyjnych. Kluczowe jest zrozumienie, że sama zastosowanie odpowiednich materiałów czy technologii nie wystarcza. Bardzo ważne jest dostosowanie metod ochrony do specyficznych warunków danego środowiska i systematyczne testowanie ich skuteczności. Proces ochrony przed korozją to długofalowe podejście, które wymaga zastosowania kompleksowych strategii, które obejmują zarówno odpowiedni dobór materiałów, jak i techniki zabezpieczeń oraz monitoringu.

Jak lokalizowana korozja wpływa na materiały metalowe w przemyśle energetycznym?

Korozja lokalizowana jest jednym z najgroźniejszych zjawisk, które może wystąpić w różnorodnych materiałach metalowych, szczególnie w przemyśle energetycznym. Istnieją dwa główne typy tego rodzaju korozji: korozja wżerowa oraz korozja w szczelinach. Korozja wżerowa to proces, w którym na powierzchni materiału powstają małe, ale głębokie wgłębienia, podczas gdy korozja w szczelinach ma miejsce w miejscach, gdzie dochodzi do dezintegracji materiału w otoczeniu zamkniętych przestrzeni wypełnionych elektrolitem. Oba te zjawiska związane są z rozkładem pasywnej warstwy ochronnej na powierzchni metalu, chociaż korozja w szczelinach może występować również w przypadku aktywnych metali.

W procesie korozji lokalizowanej powstaje warstwa produktów korozji, która może chronić powierzchnię metalu. Aby doszło do korozji wżerowej, konieczne jest zniszczenie pasywnej warstwy ochronnej przez agresywne aniony, takie jak Cl−, Br−, I−, SO4 2− czy NO3−. W tym procesie zaangażowane mogą być różne mechanizmy, takie jak: konkurencyjne adsorbowanie agresywnych jonów i związków tworzących filmy ochronne, a także tworzenie kompleksów lub rozpuszczalnych jonów w połączeniu z pierwiastkami stopu. Agresywne jony mogą zakłócać przyczepność pasywnej warstwy, przechodząc przez nią i docierając do kontaktu metal/film, co prowadzi do dalszej degradacji. Wzrost naprężeń mechanicznych, które są wynikiem zmian naprężenia powierzchniowego w pasywnej warstwie, również przyczynia się do procesu rozkładu filmu ochronnego. Dodatkowo koncentracja wakatów kationów w obszarze kontaktu metal/film może zwiększać wrażliwość na korozję.

Zjawisko korozji może być przyspieszone również przez mechaniczne czynniki, co stanowi przykład korozji wspomaganej mechanicznie. Pęknięcia spowodowane przez korozję pod naprężeniem (SCC) oraz zmęczenie korozją w warunkach cyklicznych obciążeń są klasycznymi przykładami tego typu korozji. W takich przypadkach kombinacja naprężeń mechanicznych i procesów korozji prowadzi do powstawania katastrofalnych pęknięć. Nawet materiały wykazujące znakomitą odporność na korozję mogą stać się podatne na uszkodzenia w warunkach obciążeń mechanicznych. Korozja wspomagana mechanicznie wymaga niewielkich naprężeń rozciągających, które są mniejsze niż mikroskalowy próg plastyczności materiału. Naprężenia te mogą być nałożone zewnętrznie, ale również naprężenia resztkowe mogą prowadzić do uszkodzenia materiału.

Kolejnym interesującym zjawiskiem jest korozja przyspieszona przepływem, znana jako Flow-Accelerated Corrosion (FAC). Korozja ta zachodzi w wyniku przepływu elektrolitu przez powierzchnię materiału, co przyspiesza proces wymiany masy. W tym przypadku prędkość przepływu ma kluczowe znaczenie, ponieważ umożliwia lepszy transfer masy w warunkach niskiej prędkości, minimalizując wyczerpywanie reakcji katodowych i przyspieszając usuwanie produktów korozji. Wysokie prędkości przepływu mogą jednak prowadzić do erozji warstw ochronnych i pogorszenia jakości materiału bazowego. Dwa istotne czynniki, które mają wpływ na erozję, to kąt uderzenia cząsteczek i turbulencje przepływu. Badania przeprowadzone na stopie Inconel 690 w stopionych elektrolitach MgCl2–KCl wskazują, że transfer masy prowadzi do selektywnej oksydacji chromu, co może pogorszyć sytuację w systemach CSP z wymuszoną konwekcją.

Korozja materiałów metalowych wykorzystywanych w energetyce jądrowej stanowi kolejny istotny obszar badań. W kontekście reaktorów jądrowych, zarówno korozja międzykrystaliczna, jak i transkrystaliczna są możliwe. Najczęściej spotyka się jednak korozję pod naprężeniem (SCC) w wodzie pierwotnej. Korozja tego typu występuje w wyniku wysokich naprężeń, agresywnego środowiska i wrażliwego materiału. Przykładem jest stop 15% Cr-Ni, który wykazuje dużą podatność na korozję PWSCC (Primary Water Stress Corrosion Cracking). Najczęściej spotykane problemy związane z tą korozją to uszkodzenia penetracji głowicy RPV, dysz pressurizera oraz awarie w rurach generujących parę w wyniku uszkodzeń materiału stopu 600. Zmiany w składzie stopów, takie jak podwyższenie zawartości chromu w materiałach zastępczych (690, 52, 152), znacznie zwiększają odporność na SCC.

W reaktorach jądrowych mogą występować także inne rodzaje korozji, jak korozja wspomagana promieniowaniem neutronowym (IASCC), która wpływa na stopy nierdzewne 316 SS w reaktorach PWR. Korozja ta jest wynikiem embrittlementu spowodowanego przez neutrony, co czyni materiał bardziej podatnym na pęknięcia. Podobnie jak SCC, korozja wspomagana środowiskowo jest często omawiana w literaturze na temat zmęczenia korozją. W takich przypadkach, jeśli tempo propagacji pęknięcia w środowisku wodnym przekracza trzy razy większe niż w powietrzu, dochodzi do uszkodzeń materiału.

Korozja w reaktorach jądrowych wpływa nie tylko na materiały, ale także na elementy systemów chłodzenia, rur i generatorów pary. Przykładem jest korozja warstwy oksydacyjnej na powłoce paliwowej, która prowadzi do jej cieńczenia i w końcu pęknięcia, jeżeli proces nie jest kontrolowany. Z tego powodu opracowano bardziej odporne stopy Zr, które zmniejszają ryzyko związane z korozją warstwy paliwowej. W przypadku rur generujących parę, korozja tych materiałów jest spowodowana uwalnianiem niklu do rdzenia, gdzie może on zostać przekształcony w radioaktywny kobalt. Aby zmniejszyć tę korozję, stosuje się odpowiednią chemię wody.

Ważnym elementem w zarządzaniu korozją w reaktorach jądrowych jest także korozja mikrobiologiczna, która może występować w systemach wodnych, zwłaszcza w układach ochrony przeciwpożarowej. W takich warunkach, w obecności bakterii beztlenowych, mogą powstawać powłoki korozji, które skutkują pogorszeniem funkcjonowania systemów.

Jak chemiczne procesy przemysłowe wpływają na korozję materiałów?

Korozja przemysłowa to zjawisko, które w szczególności dotyczy przemysłu chemicznego, gdzie często spotyka się kontakt metali z różnorodnymi substancjami chemicznymi, które przyspieszają ich degradację. Największe ryzyko korozji występuje w temperaturach między 15°C a 65°C, zwłaszcza gdy w reakcjach bierze udział dwutlenek węgla. Choć dwutlenek węgla sam w sobie nie jest substancją korozyjną, w kontakcie z wodą tworzy kwas węglowy (H2CO3), który już w sposób bezpośredni atakuje metalowe powierzchnie. Procesy elektrokorozji w takim środowisku są szczególnie intensywne, gdyż dwutlenek węgla powoduje reakcje katodowe, które prowadzą do wydzielania wodoru, przyspieszając w ten sposób destrukcję materiałów.

Interakcja metalu z kwasem węglowym woda może prowadzić do powstawania różnych produktów korozji, a cały proces przebiega według następujących reakcji chemicznych:

  • Ogólna reakcja: Fe + CO2(s) + H2O(l) → Fe2+ + CO3²⁻ + H2(g)

  • Reakcja anodowa: Fe → Fe2+ + 2e⁻

  • Reakcja katodowa: 2H⁺ + 2e⁻ → H2(g)

  • Reakcje dodatkowe związane z interakcją kwasu węglowego prowadzą do powstania wodorowęglanów (HCO3⁻) i innych produktów, które mogą wpływać na szybkość korozji [19].

Oprócz tego, w przemyśle chemicznym, korozja wynikająca z nieplanowanego przestoju urządzeń czy używania nieodpowiednich środków czyszczących, może doprowadzić do poważnych uszkodzeń. Warto pamiętać, że korozja nie jest tylko wynikiem wysokiej temperatury, ale również złożonych reakcji chemicznych zachodzących w kontakcie z kwasami, solami, czy nawet wodą morską.

Korozja w procesach chemicznych może występować w różnych postaciach, w tym korozji lokalnej, która jest szczególnie niebezpieczna. Korozja lokalna to zjawisko, które występuje, gdy miejsca anodowe na powierzchni metalu pozostają nieruchome, co prowadzi do rozwoju uszkodzeń w postaci dziur czy pittingu. Pitting, czyli korozja w postaci punktowych zagłębień, jest trudna do przewidzenia, a jej rozwój może prowadzić do poważnych awarii, szczególnie w warunkach stagnacji lub niskiej prędkości przepływu wody. Często jest on wywoływany przez obecność jonów chlorkowych, które działają na powierzchnię metalu w sposób bardzo agresywny [20].

Korozja selektywna, z kolei, dotyczy procesów, w których jeden składnik stopu jest wybiórczo usuwany przez reakcje korozyjne, jak ma to miejsce w przypadku cynku w mosiądzu (dezinifikacja), czy molibdenu w stopach niklowo-molibdenowych. Te zjawiska są szczególnie widoczne w układach chłodniczych, gdzie obecność wolnego chloru i niskie pH sprzyjają intensyfikacji procesów korozji [21]. Z kolei korozja galwaniczna zachodzi wtedy, gdy dwa różne metale wchodzą w kontakt ze sobą w odpowiednim elektrolicie, co powoduje, że metal mniej szlachetny zostaje zaatakowany, a bardziej szlachetny staje się anodą w reakcji elektrochemicznej [32].

Korozja naprężeniowa (SCC) to inny rodzaj korozji, w którym metal pęka pod wpływem stałego naprężenia w odpowiednim środowisku korozyjnym. SCC jest często spotykana w przypadku stali nierdzewnych, zwłaszcza w obecności związków siarki lub chloru w wysokiej czystości wodzie. Kruszenie materiału spowodowane przez tę formę korozji jest nie tylko trudne do przewidzenia, ale także stanowi poważne zagrożenie w kontekście bezpieczeństwa przemysłowego [34].

Zjawisko zmęczenia korozją (CF) dotyczy wzrostu pęknięć w materiale pod wpływem cyklicznych obciążeń mechanicznych w obecności agresywnego środowiska korozyjnego. Jest to rodzaj uszkodzenia, który pojawia się, gdy cykliczne naprężenia przyczyniają się do rozwoju mikropęknięć w materiale, które następnie rozszerzają się w wyniku dalszego narażenia na czynniki korozyjne [35].

W przemyśle chemicznym, gdzie wykorzystywane są różnorodne ciecze i gazy, korozja stanowi jedno z głównych zagrożeń dla integralności sprzętu. Procesy chemiczne nie tylko wpływają na powierzchnię materiałów, ale również mogą przyczynić się do ich szybszego zużycia poprzez powstawanie wewnętrznych uszkodzeń, których nie widać gołym okiem. Kontrola warunków środowiskowych, odpowiedni dobór materiałów oraz systematyczne monitorowanie stanu technicznego urządzeń to kluczowe aspekty zapobiegania i minimalizowania ryzyka korozji w przemyśle chemicznym [36].

Jakie są ryzyka związane z ustawodawstwem wykonawczym w administracji Trumpa?
Jakie są potencjalne wyzwania i korzyści wynikające z innowacji w dziedzinie robotyki i sztucznej inteligencji?
Jak wygląda postępowanie chirurgiczne w leczeniu atrezji trójdzielnej i jakie są jego wyzwania?