Koroze – znehodnocení chemickou reakcí

Úvod a definice

Koroze je nevratná degradace materiálu—nejčastěji kovu—v důsledku chemických nebo elektrochemických interakcí s jeho okolím. Tento proces je především rozhranovou reakcí, při níž dochází k přenosu atomů nebo iontů mezi materiálem (například kovem, polymerem či keramikou) a jeho prostředím, což vede k přeměně nebo spotřebě materiálu. Ačkoli je koroze často spojována s rezivěním železa, postihuje širokou škálu materiálů včetně nekovů. Důsledky jsou závažné: konstrukční selhání, bezpečnostní rizika a ekonomické ztráty odhadované celosvětově na 2,5–3 biliony dolarů ročně. Moderní řízení koroze zahrnuje prediktivní modelování, monitorování a analýzu životního cyklu za účelem snížení rizik a optimalizace výběru materiálů a údržby.

Klíčové pojmy a termíny

• Chemická koroze: Znehodnocení přímou chemickou reakcí, často s kyselinami nebo oxidačními činidly, bez elektrické vodivosti. Například reakce kyseliny sírové s ocelí vede ke vzniku síranu železnatého a vodíku.
• Elektrochemická koroze: Nejčastější typ u kovů, zahrnuje redoxní reakce za přítomnosti elektrolytu (například vody s rozpuštěnými solemi). Zahrnuje jak anodické (úbytek kovu), tak katodické (ochranné) oblasti.
• Oxidace: Ztráta elektronů z atomů kovu, které se mění v ionty a mohou se spojit s kyslíkem za vzniku rzi nebo jiných oxidů.
• Redukce: Přijímání elektronů, obvykle na katodě. V elektrolytu jsou často redukovány kyslík nebo vodíkové ionty.
• Anoda: Místo oxidace a úbytku materiálu—koroze vždy probíhá zde.
• Katoda: Místo redukce; je v elektrochemických článcích chráněna před korozí.
• Pasivní film: Tenká, stabilní vrstva oxidu, která se vytváří na kovech jako nerezová ocel a hliník a chrání je před další korozí. Poškození nebo chemické narušení této vrstvy může spustit lokální korozi.

Tyto základní pojmy jsou klíčové pro pochopení mechanismů koroze a možností jejího řízení či prevence.

Klasifikace typů koroze

Koroze může mít mnoho forem:

Rovnoměrná (uniformní) koroze

Postihuje celý vystavený povrch přibližně stejnou rychlostí. Běžná je u nechráněné oceli vystavené vzduchu a vlhkosti, je předvídatelná a často se řeší navýšením tloušťky materiálu („korozní rezerva“).

Důlková (pitting) koroze

Vysoce lokalizovaná, vytváří malé, ale hluboké důlky na povrchu. Často začíná porušením pasivní vrstvy v prostředí bohatém na chloridy (např. slaná voda). Je obzvláště nebezpečná, protože je obtížně detekovatelná a může způsobit selhání s malou celkovou ztrátou materiálu.

Štěrbinová koroze

Vyskytuje se v uzavřených prostorech (pod těsněními, podložkami nebo překryvy), kde stagnující kapalina vytváří agresivní lokální podmínky. Může postupovat rychle a obtížně se zjišťuje, což představuje riziko ve spojích a sestavách.

Galvanická (bimetalická) koroze

Vzniká, když jsou dva různé kovy elektricky propojené v elektrolytu. Méně ušlechtilý (anodický) kov koroduje přednostně. Závažnost závisí na rozdílu potenciálů, vodivosti elektrolytu a poměru ploch.

Mezikrystalová koroze

Zasahuje hranice zrn v kovech, často v důsledku segregace nebo úbytku ochranných prvků (například chrómu v nerezové oceli). Může způsobit katastrofické selhání bez výrazného poškození povrchu.

Selektivní vyluhování (dealloying)

Dochází k odstranění reaktivnější složky slitiny (například zinku z mosazi), což vede k pórovité a oslabené struktuře.

Erozní koroze

Urychlována mechanickým působením (proudění kapaliny, nárazy částic), které odstraňuje ochranné vrstvy a vystavuje čerstvý kov chemickému napadení. Běžná v čerpadlech, potrubích a mořském prostředí.

Praskání napětím způsobené korozí (SCC)

Praskání způsobené kombinací tahového napětí a specifického korozního prostředí. Může vést k rychlému a katastrofickému selhání bez varování.

Zkřehnutí vodíkem

Absorpce a difúze atomárního vodíku do kovů, zejména vysoce pevných ocelí, vedoucí k náhlému, křehkému selhání.

Exfoliační a rozhranová koroze

Exfoliace je závažná forma mezikrystalové koroze, při níž dochází k odlupování a delaminaci vrstev materiálu, často pozorováno u válcovaných nebo extrudovaných výrobků, například leteckých dílů.

Mechanismy a vědecké základy

Koroze zahrnuje redoxní reakce na rozhraní materiálu a prostředí:

• Anodická (oxidační) reakce:
  M → Mⁿ⁺ + ne⁻
  (Kov ztrácí elektrony a mění se v ion.)

• Katodická (redukční) reakce:

  • Redukce kyslíku: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
  • Redukce vodíkových iontů: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂

Elektrony uvolněné na anodě proudí ke katodě, kde probíhá redukce. Elektrolyty (voda s rozpuštěnými ionty) umožňují iontovou vodivost a uzavírají elektrický okruh.

Pasivní vrstvy (tenké oxidické filmy) na kovech jako nerezová ocel a hliník mohou výrazně snižovat rychlost koroze. Pokud je však tato vrstva poškozena nebo vystavena agresivním iontům (například chloridům), může dojít k lokální korozi.

Faktory prostředí jako pH, teplota, obsah kyslíku, obsah chloridů a proudění kapaliny ovlivňují rychlost a mechanismy koroze.

Mikrobiálně ovlivněná koroze (MIC): Některé bakterie urychlují korozi změnou místní chemie, zejména v potrubích a mořském prostředí.

Strategie prevence a zmírňování koroze

Efektivní prevence koroze je založena na několika přístupech:

• Výběr materiálu: Použití korozivzdorných slitin (nerezová ocel, titan, vysoce legované slitiny niklu, FRP, keramika) vhodných pro dané prostředí.
• Legování: Přidání prvků jako chrom a molybden pro zvýšení odolnosti.
• Ochranné povlaky: Nanášení organických (barvy, epoxid), kovových (zinek, nikl) nebo konverzních povlaků (chromát, fosfát) k vytvoření fyzické bariéry.
• Katodická ochrana: Konstrukce je učiněna katodou v elektrochemickém článku.
  • Systémy s obětovanou anodou: Připojení reaktivnějšího kovu, který koroduje místo chráněné konstrukce.
  • Systémy s vnuceným proudem: Použití externího zdroje proudu a inertních anod.
• Inhibitory koroze: Chemické přísady do prostředí, které snižují rychlost koroze tvorbou filmu nebo změnou reakcí.
• Regulace prostředí: Odstranění vlhkosti, regulace pH, úprava vody nebo použití inertního plynového krytí.
• Konstrukční zásady: Vyhýbání se štěrbinám, ostrým rohům a kontaktu různých kovů; zajištění odvodnění a přístupu pro kontrolu.
• Kontrola a monitorování: Použití vizuálních, ultrazvukových, radiografických nebo elektrochemických metod k včasné detekci koroze.

Obvykle se kombinuje více těchto strategií, aby byla maximalizována životnost a minimalizovány náklady.

Praktické příklady a využití

Stavebnictví a infrastruktura

Mosty a budovy jsou vystaveny vlhkosti, znečištění a solím, které urychlují korozi. Používají se povětrnostně odolné oceli, pozinkované výztuže a robustní nátěry. U železobetonových konstrukcí způsobuje koroze ocelové výztuže (často v důsledku pronikání chloridů) praskání a odlupování betonu. Řešením je použití epoxidově potažené nebo nerezové výztuže a korozních přísad do betonu.

Průmyslové zařízení

Potrubí, zásobníky a procesní nádoby jsou ohroženy korozí jak z vnitřní, tak vnější strany (například voda, kyseliny, mikroorganismy). Ochranná opatření zahrnují katodickou ochranu, povlaky a inhibitory koroze. Pro agresivní chemikálie se používají i výstelky (guma, sklo, polymery).

Doprava

Letadla, vlaky a automobily čelí korozi způsobené vlhkostí, odmrazovacími chemikáliemi a znečištěním prostředí. Letecký průmysl používá hliník, titan a kompozity, ale musí řešit galvanickou korozi ve spojích. Automobily jsou vyráběny z pozinkované oceli a opatřeny pokročilými povlaky, zejména v oblastech s posypovou solí.

Námořní aplikace

Lodě, plošiny a přístavní konstrukce jsou vystaveny mořské vodě, kyslíku a biologické aktivitě. Koroze je řízena obětovanými anodami, systémy s vnuceným proudem, vysoce legovanými materiály a robustními nátěrovými systémy. Pro paluby a nástavby se používá FRP odolné proti korozi.

Zemědělství a chladicí věže

Panely FRP jsou běžné v budovách a chladicích věžích díky odolnosti vůči amoniaku a kyselinám, dlouhé životnosti a snadné údržbě, což převyšuje vlastnosti kovových panelů v náročném prostředí.

Slovníček pojmů z oblasti koroze

Anoda:
Místo oxidace v elektrochemickém článku—zde dochází k úbytku kovu (korozi).

Katoda:
Místo redukce—je v průběhu elektrochemického procesu chráněno před korozí.

Korozní rezerva:
Přídavná tloušťka materiálu navržená tak, aby byla předvídatelně ztracena rovnoměrnou korozí během životnosti konstrukce.

Korozní poškození:
Fyzické zhoršení, ztráta mechanických vlastností nebo funkce v důsledku koroze (včetně ztenčení, důlků, prasklin).

Inhibitor koroze:
Chemická přísada, která snižuje rychlost koroze tvorbou ochranného filmu nebo změnou prostředí.

Korozivzdorný materiál:
Materiál, který díky svému složení nebo stabilní pasivní vrstvě vykazuje výrazně nižší rychlost koroze.

Dealloying:
Selektivní odstranění jedné složky ze slitiny (například zinku z mosazi), což vede k pórovité struktuře.

Elektrochemický článek:
Systém, v němž dochází ke korozi v důsledku současných oxidačních a redukčních reakcí s tokem elektronů mezi anodou a katodou.

Galvanická řada:
Seřazení kovů/slitin podle jejich korozního potenciálu v daném prostředí—slouží k předpovědi galvanické koroze.

Pasivace:
Vytvoření stabilní ochranné vrstvy (obvykle oxidu) na povrchu kovu, která snižuje rychlost koroze.

Důlkování:
Lokalizovaná, závažná koroze vytvářející malé, hluboké otvory v materiálu.

Praskání napětím způsobené korozí (SCC):
Praskání způsobené tahovým napětím ve specifickém korozním prostředí, vedoucí k náhlému a křehkému selhání.

Rovnoměrná koroze:
Rovnoměrná ztráta materiálu na povrchu; nejpředvídatelnější forma koroze.

Závěr

Koroze je složitý, mnohovrstevný proces, který zasahuje téměř každé průmyslové odvětví a infrastrukturní systém. Porozumění jejím mechanismům, typům a preventivním strategiím je zásadní pro inženýry a správce majetku. Promyšleným návrhem, výběrem materiálů, ochrannými systémy a pravidelným monitorováním lze rizika a náklady na korozi výrazně snížit, čímž se zvýší bezpečnost a udržitelnost do budoucna.