Ηλεκτροχημική διάβρωση σωληνώσεων σε εγκαταστάσεις θέρμανσης

Γενικά

Διάβρωση ονομάζουμε την υποβάθµιση ενός υλικού εξ' αιτίας της επίδρασης του περιβάλλοντος.Ή υποβάθμιση έχει να κάνει με αλλαγή των φυσικών ιδιοτήτων του υλικού. Η διάβρωση μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα π.χ. την μείωση της διατομής μιας μεταλλικής ράβδου, ή την αλλαγή της μοριακής δομής ενός μετάλλου με αποτέλεσμα το υλικό να γίνει ψαθυρό, ή το ράγισμα ενός πολυμερούς υλικού λόγω της έκθεσης του σε ηλιακή ακτινοβολία.

Ειδικά τα μέταλλα, διαβρώνονται έντονα, γιατί είναι χημικά ασταθή στο φυσικό περιβάλλον και έχουν την τάση να αντιδρούν με άλλα χημικά στοιχεία και να σχηματίζουν νέες σταθερότερες χημικές ενώσεις .

Στη φύση, μόνο ο χαλκός και τα λεγόμενα πολύτιμα μέταλλα (άργυρος, χρυσός, πλατίνα) βρίσκονται σε μεταλλική κατάσταση και είναι θερμοδυναμικά σταθερά σε συνθήκες περιβάλλοντος. Ολα τα άλλα μέταλλα, συμπεριλαμβανομένου του χάλυβα (που είναι το πιο συνηθισμένο υλικό στις κατασκευές), βρίσκονται σε μορφή ορυκτών ή μεταλλευμάτων, από την επεξεργασία των οποίων δημιουργούνται τα μέταλλα, τα οποία είναι ασταθή στο περιβάλλον.

Εκτός από τα πολύτιμα μέταλλα που είναι θερμοδυναμικά σταθερά, υπάρχουν μέταλλα που δημιουργούν εξωτερικά τους ένα προστατευτικό φίλμ οξειδίου (παθητικό φιλμ) που έχει σαν αποτέλεσμα την αναστολή ή επιβράδυνση της διαδικασίας διάβρωσης. Στο φαινόμενο αυτό οφείλει ο χαλκός και ο ανοξείδωτος χάλυβας την υψηλή αντοχή τους.

Για να κατανοήσουμε το θέμα, θα πρέπει να αναφέρουμε μερικά πράγματα για την ηλεκτροχημεία.


Οι μηχανισμοί και τα είδη διάβρωσης


Η φύση του προβλήματος.


Η ύλη, αποτελείται από άτομα, που αποτελούνται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Το κέντρο του ατόμου, ονομάζεται πυρήνας και αποτελείται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια. Γύρω από τον πυρήνα περιστρέφονται τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια.

Τα άτομα έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων και τα ηλεκτρικά φορτία αλληλοαναιρούνται. Ο αριθμός των πρωτονίων καθορίζει το είδος του χημικού στοιχείου και το ατομικό του βάρος. Στη φύση βρίσκονται πάνω από 100 χημικά στοιχεία, που απεικονίζονται στον παρακάτω περιοδικό πίνακα στοιχείων.

Τα στοιχεία συμβολίζονται με το αρχικό γράμμα του λατινικού τους ονόματος. Το Η αντιπροσωπεύει το υδρογόνο, το Ο το οξυγόνο, το C τον άνθρακα (carbon) το Fe συμβολίζει το σίδηρο και το Cu συμβολίζει το χαλκό.

Οταν τα ηλεκτρικά ουδέτερα στοιχεία χάνουν ή αποκτούν - επιπλέον - ηλεκτρόνια, σχηματίζουν τα ονομαζόμενα Ιόντα.
Τα μέταλλα χάνουν ηλεκτρόνια (αρνητικό φορτίο), φορτίζονται θετικά, και σχηματίζουν τα ιόντα π.χ.

Fe⁺², Al⁺³, Cu⁺², κ.λ.π.
και τα μη μεταλλικά στοιχεία αποκτούν επιπλέον ηλεκτρόνια και σχηματίζουν αρνητικά φορτισμένα ιόντα π.χ.
Cl^-, O^-2, S^-2, κ.λ.π.

Τα άτομα, ενώνονται μεταξύ τους και σχηματίζουν μόρια και χημικές ενώσεις όπως π.χ. στο νερό (H₂O) το πιο διαδεδομένο μόριο στη φύση, που είναι μια χημική ένωση που αποτελείται από ένα άτομο οξυγόνου (O) και δύο άτομα υδρογόνου (H). Το νερό, εκτός από τα μόρια οξυγόνου, περιέχει και ιόντα, δηλαδή θετικά φορτισμένα άτομα υδρογόνου H⁺ και αρνητικά ιόντα OH^- Οταν ο αριθμός θετικών και αρνητικών ιόντων είναι ίσος, τότε το νερό είναι ουδέτερο. Οταν υπερισχύουν τα ιόντα Η⁺, τότε το νερό ονομάζεται όξινο, όταν υπερισχύουν τα ΟΗ^-, ονομάζεται βασικό. Η ισχύς ενός οξέως (το πόσο θετικά είναι φορτισμένο) τη μετράμε με το

pH = -log [H

^{Χημικές αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής}

Τα μέταλλα, είναι στοιχεία που έχουν την τάση να χάνουν ηλεκτρόνια, και τα αμέταλλα, την τάση να προσλαμβάνουν ηλεκτρόνια. Οταν ένα μέταλλο ή άλλο στοιχείο χάνει ηλεκτρόνια, λέμε ότι αυτό οξειδώνεται, ή ότι λαμβάνει χώρα μια αντίδραση οξείδωσης. Η πιο κοινή χημική αντίδραση οξείδωσης, είναι η οξείδωση του σιδήρου,

Τα ηλεκτρόνια που αποσπώνται από το σίδηρο, συνήθως ενώνονται με ένα μη - μεταλλικό στοιχείο και το φορτίζουν αρνητικά π.χ. Η+. Το μη μεταλλικό στοιχείο, αυξάνει το αρνητικό του φορτίο και λέμε ότι υπέστη αναγωγή.


Οι αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής λαμβάνουν χώρα ταυτόχρονα (τα ηλεκτρόνια που φεύγουν από το στοιχείο που οξειδώνεται συμμετέχουν σε αναγωγικές αντιδράσεις με άλλα μη μεταλλικά στοιχεία) και για το λόγο αυτόν, οι χημικές αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής ονομάζονται χημικές αντιδράσεις οξειδοαναγωγής.

Παρά το γεγονός ότι αντιδράσεις αναγωγής μπορούν να γίνουν με όλα τα στοιχεία, το 90% των διαβρώσεων, οφείλεται στην αναγωγή του οξυγόνου λόγω της έντονης τάσης του να απορροφά ηλεκτρόνια.

Συνεπώς η ποσότητα του οξυγόνου στο περιβάλλον είναι καθοριστικός παράγοντας της ταχύτητας και της προόδου της διάβρωσης.



Ηλεκτροχημικές αντιδράσεις - Γαλβανικά στοιχεία

Στο παρακάτω σχήμα, δυο μέταλλα εμβαπτίζονται στο ίδιο όξινο διάλυμα.

Στο στοιχείο, τα δύο μέταλλα (ηλεκτρόδια) έρχονται σε επαφή μέσω ενός σύρματος, ενώ τα δύο διαλύματα μέσω μιας γέφυρας άλατος. Η γέφυρα άλατος μπορεί να είναι ένας υοειδής σωλήνας με άγαρ ή ένα πορώδες διάφραγμα, που περιέχει έναν ηλεκτρολύτη (συνήθως ΚCl, NH₄Cl).

και στα δύο μέταλλα, συμβαίνουν παρόμοιες ηλεκτροχημικές αντιδράσεις:
Cu » Cu⁺² + 2e^-
και
Zn » Zn⁺² + 2e^-

άρα και τα δύο μέταλλα οξειδώνονται, με το μηχανισμό που περιγράφηκε παραπάνω.

Αν τώρα ενώσουμε ηλεκτρικά το ηλεκτρόδιο του χαλκού και του ψευδαργύρου, θα διαπιστώσουμε ότι τα δύο μέταλλα, εμφανίζουν μια διαφορά δυναμικού, και ότι η οξείδωση του χαλκού επιβραδύνθηκε (μειώθηκε ο ρυθμός απομάκρυνσης ηλεκτρονίων) και του ψευδαργύρου επιταχύνθηκε, καθώς και ότι ο αγωγός να διαρέεται από ρεύμα.


Αυτό συμβαίνει επειδή ο χαλκός, μετά την ηλεκτρική σύνδεση με τον ψευδάργυρο, αποκτά τέτοιο δυναμικό ώστε στην επιφάνεια του να λαμβάνουν χώρα αναγωγικές αντιδράσεις 2H⁺ +2e^- » H₂ με ηλεκτρόνια που προσφέρει ο ψευδάργυρος και παύει η αντίδραση οξείδωσης του χαλκού.

Αρα η επαφή των δύο μετάλλων, οδηγεί στην παύση της οξείδωσης του χαλκού, και την δραματική επιτάχυνση της διαδικασίας οξείδωσης του ψευδαργύρου.

Για τον ψευδάργυρο λέμε ότι αυτός υφίσταται ηλεκτροχημική διάβρωση, ενώ για τον χαλκό ότι προστατεύεται καθοδικά από τον ψευδάργυρο.

Περισσότερα για τις ηλεκτροχημικές αντιδράσεις μπορείτε να βρείτε εδώ.




Ηλεκτροχημική σειρά των μετάλλων


Τα μέταλλα και το υδρογόνο, επειδή έχουν την τάση να δίνουν ηλεκτρόνια, ονομάζονται αναγωγικά στοιχεία.

Στο διπλανό πίνακα απεικονίζονται τα μέταλλα, με κριτήριο την τάση τους να δίνουν ηλεκτρόνια. Ο ψευδάργυρος (Zn) π.χ., έχει μεγαλύτερη τάση να δίνει ηλεκτρόνια από το χαλκό, και γι αυτό το λόγο λέμε ότι ο ψευδάργυρος (Zn) είναι ισχυρότερο αναγωγικό από το χαλκό (Cu).

Η κατάταξη των μετάλλων βάσει της αναγωγικής τους δύναμης, ονομάζεται ηλεκτροχημική σειρά των μετάλλων.

Οταν ενωθούν αγώγιμα (ηλεκτρικά) δύο μέταλλα σε ένα ιονισμένο περιβάλλον (όπως στο παραπάνω σχήμα), τότε το μέταλλο με την μεγαλύτερη αναγωγικότητα (αυτό που έχει μεγαλύτερη τάση να αποβάλλει ηλεκτρόνια), αποβάλλει ηλεκτρόνια, τα οποία μεταφέρονται από το περισσότερο αναγωγικό στο λιγότερο αναγωγικό μέταλλο.

Η ένταση και η ταχύτητα της αντίδρασης, εξαρτάται από το pH του περιβάλλοντος, από την περιεκτικότητα δηλαδή του περιβάλλοντος σε ιόντα H⁺





Είδη διάβρωσης

Τα πιο συνηθισμένα στις κατασκευές είδη διάβρωσης, είναι ίσως τα ακόλουθα.


Γενική διάβρωση.

Η διάβρωση είναι εξαπλωμένη σε ολόκληρη την επιφάνεια του μετάλλου. Συμβαίνει σε περίπτωση χημικής επίθεσης (π.χ. διαρροή οξέως)




Γαλβανική διάβρωση.

Εϊναι η διάβρωση που λαμβάνει χώρα όταν έρθουν σε επαφή δύο μέταλλα διαφορετικής σειράς κατάταξης όπως εξηγήθηκε παραπάνω.




Διάβρωση διαφορετικής συγκέντρωσης.

Ο τύπος αυτός διάβρωσης εμφανίζεται όταν διαφορετικές επιφάνειες του ίδιου υλικού, έρχεται σε επαφή με διαφορετικές συγκεντρώσεις του ίδιου διαλύματος.




Τοπική διάβρωση / σπηλαίωση.

Τοπική διάβρωση που εμφανίζεται κυρίως σε μικροσκοπικές ανωμαλίες της επιφάνειας του μετάλλου, συνήθως κάτω από εναποθέσεις του προϊόντος των οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων. (τοπική σκουριά)




Διάβρωση διεπαφής.

Η διάβρωση που εμφανίζεται στην επιφάνεια επαφής δυο διαφορετικών μετάλλων, ή ενός μεταλλικού και ενός μη μεταλλικού στοιχείου.





Διάβρωση σιδηροσωλήνων

Οταν μια σταγόνα νερού έρθει σε επαφή με σίδηρο, η σταγόνα μετατρέπεται σε άνοδο και ο σίδηρος σε κάθοδο, δηλαδή σχηματίζεται ένα γαλβανικό κελί όπως είπαμε παραπάνω.

Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα στο σημείο επαφής της σωλήνας (άνοδος) να μεταφέρονται ηλεκτρόνια στην κάθοδο (ο υπόλοιπος σωλήνας) με την ίδια διαδικασία που περιγράφηκε παραπάνω. Τα ηλεκτρόνια συμμετέχουν σε αντιδράσεις αναγωγής με το οξυγόνο της ατμόσφαιρας, ενώ τα ιόντα σιδήρου που δημιουργούνται, αντιδρούν χημικά με το οξυγόνο της ατμόσφαιρας και το νερό και σχηματίζουν την χημική ένωση Fe₂O₂xH₂O που είναι η γνωστή μας σκουριά. Για την ίδια ποσότητα σιδήρου, η σκουριά έχει μεγαλύτερο όγκο από το καθαρό μέταλλο με αποτέλεσμα να αποκολλάται από την επιφάνεια του σιδήρου και να αποτίθεται γύρω από την περιοχή της επαφής.




Η ταχύτητα της παραπάνω διαδικασίας εξαρτάται από τις ιδιότητες του νερού, την περιεκτικότητα του σε άλατα (θαλασσινό νερό και άλατα σωληνώσεων), τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, τη διαθέσιμη ποσότητα του οξυγόνου και άλλους παράγοντες.

Για την προστασία των σιδηροσωλήνων από αυτήν την μορφή διάβρωσης την επιτυγχάνουμε με βαφή της σωλήνας με προστατευτικό φιλμ (αντιοξειδωτικό και ελειόχρωμα) που εμποδίζει τον σίδηρο να έρθει σε επαφή με το νερό και το οξυγόνο.

Η παραπάνω μορφή διάβρωσης είναι πολύ συχνή σε δίκτυα κλιματισμού με κακή μόνωση, όπου η χαμηλή θερμοκρασία του διερχόμενου νερού υγροποιεί την υγρασία του αέρα περιβάλλοντος, ο οποιος έρχεται σε επαφή με το σίδηρο και τον διαβρώνει.

Σύνδεση διαφορετικών μετάλλων (π.χ. σιδηροσωλήνας με χαλκό)

Σε μια μικτή σωλήνωση που αποτελείται από π.χ. χαλκό και χάλυβα που έχουν έρθει σε απ' ευθείας επαφή, τα δύο μέταλλα, με βάση τη σειρά κατάταξης τους σχηματίζουν γαλβανικό στοιχείο, με τον σίδηρο να αποτελεί την άνοδο και τον χαλκό την κάθοδο.

Η ύπαρξη του γαλβανικού στοιχείου, με βάση όσα είπαμε παραπάνω, συνεπάγεται την μεταφορά ηλεκτρονίων από τον σίδηρο στο χαλκό και τη δημιουργία ιόντων σιδήρου που αντιδρούν με το οξυγόνο και την υγρασία του περιβάλλοντος κατά τον ίδιο τρόπο όπως και παραπάνω.





Σε όλες τις περιπτώσεις (και εδώ αρχίζει το ενδιαφέρον για τις κατασκευές), με την πάροδο του χρόνου ελαττώνεται η μάζα του σιδήρου, με αποτέλεσμα την σταδιακή καταστροφή της κατασκευής.


Προστασία από διάβρωση.

Η καλύτερη προστασία από τη διάβρωση, είναι η χρήση των κατάλληλων κάθε φορά υλικών.

Η επιλογή υλικών που δεν υπόκεινται σε διάβρωση στις συνθήκες που θέλουμε να λειτουργήσουν (π.χ. η επιλογή πλαστικών σωλήνων για τη μεταφορά οξέως), εξασφαλίζει μεγάλη διάρκεια ζωής.


Η γνώση των υλικών των κατασκευών και η καταλληλότητα τους, είναι ζωτικής σημασίας. Μπορεί μια σωλήνα PVC να είναι κατάλληλη για τη μεταφορά οξέως στο παραπάνω παράδειγμα σε εσωτερικό χώρο, αλλά εντελώς ακατάλληλη αν πρέπει να είναι εκτεθειμένη στην ηλιακή ακτινοβολία.

Οι σιδηροσωλήνες πρέπει πάντα να προστατεύονται επιφανειακά, με στρώσεις αντισκωριακού και βαφής με ελαιόχρωμα (ή και με άλλα πιο εξελιγμένα προστατευτικά υλικά) ώστε να αποφεύγεται η επαφή της επιφάνειας της σωλήνας με το οξυγόνο και την υγρασία της ατμόσφαιρας.


Η πιο συνηθισμένη προστατευτική επίστρωση είναι η επίστρωση με ψευδάργυρο, με τη διαδικασία του θερμού γαλβανίσματος. Η επιψευδαργύρωση είναι άριστη μέθοδος προστασίας των σωλήνων, αλλά δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί στα δίκτυα θέρμανσης, διότι η επιψευδαργύρωση δεν αντέχει σε θερμοκρασίες υψηλότερες των 65οC, καθώς ξεκολάει από το σίδηρο (με αποτέλεσμα να παύει ο σίδηρος να είναι προστατευμένος) και να μεταφέρεται σε διάφορα ευαίσθητα σημεία του δικτύου ηλεκτροβάννες, κυκλοφορητές, μετρητές κ.λ.π. και να τα καταστρέφει.

Σε όλες τις περιπτώσεις, η χρήση διαφορετικών μεταλλικών σωλήνων που έρχονται σε επαφή πρέπει να αποφεύγεται, ώστε να αποφεύγεται η δημιουργία γαλβανικού κελιού.





Στις περιπτώσεις που τα παραπάνω δεν μπορούν να εξασφαλισθούν, θα πρέπει να λαμβάνονται επιπρόσθετα μέτρα για την άμυνα της κατασκευής κατά της διάβρωσης.

Για τις εγκαταστάσεις θέρμανσης που μας ενδιαφέρει εδώ, η ΤΟΤΕΕ 2411, συνιστά τη χρήση του ίδιου υλικού σε ολόκληρη την εγκατάσταση για να αποφευχθεί το φαινόμενο της ηλεκτροχημικής διάβρωσης και προβλέπει ότι αν αυτό δεν είναι δυνατό να συμβεί, οι δυνατές λύσεις είναι:


1. η διακοπή της αγώγιμης σύνδεσης των δύο διαφορετικών μεταλλικών υλικών με την παρεμβολή μονωτικού συνδέσμου από μη αγώγιμο ηλεκτρικά υλικό. (Διακόπτεται η γέφυρα μεταφοράς ηλεκτρονίων από το ένα μέταλλο στο άλλο).












2. H τοποθέτηση ανοδίου Mg που θα θυσιαστεί προστατεύοντας το πιο μέταλλο της σωλήνας. (σύμφωνα με όσα ειπώθηκαν για τα γαλβανικά κελιά). Η ράβδος αυτή σε μικρές εγκαταστάσεις μπορεί να τοποθετηθεί εντός της ροής (in-line),





ενώ σε πιο εκτεταμένα δίκτυα ή δίκτυα σωληνώσεων στο χώμα, η ράβδος τοποθετείται στο χώμα σε απόσταση με τη σωλήνα και είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένη με αυτήν.







η καθοδική προστασία της εγκατάστασης, με ρεύμα χαμηλής τάσης που διοχετεύεται στο υδραυλικό δίκτυο και έχει σαν αποτέλεσμα να μετετρέπεται η σωλήνα σε κάθοδο.











Συμπληρωματικά, θα μπορούσε κανείς να συμπεριλάβει και τις ακόλουθες ενέργειες

Σωστός καθαρισμός της εγκατάστασης πριν τη θέση σε λειτουργία.

Φίλτρανση νερού πλήρωσης.

Χρήση αποσκληρυμένου / απιονισμένου νερού, ανάλογα με τη θερμοκρασία και την εφαρμογή.

Χρήση βελτιωτικών νερού


Οι μηχανισμοί της διάβρωσης είναι αρκετά σύνθετοι και περιλαμβάνουν περιπτώσεις που δεν αναφέρθηκαν στο άρθρο αυτό. Η επιλογή της προστασίας των κατασκευών είναι αντικείμενο μελέτης που συντάσεται σύμφωνα με διεθνή πρότυπα και κανονισμούς και η αντιμετώπιση της διάβρωσης, τουλάχιστον στο εξωτερικό, αποτελεί αντικείμενο ειδικών και φυσικά το θέμα δε θα μπορούσε να εξαντληθεί σε ένα άρθρο όπως αυτό.


Γ.Μ.




Πηγές στο διαδίκτυο

Οξειδοαναγωγή.
http://users.sch.gr/marbagana/index.html

Διάβρωση, ηλεκτρόλυση σωληνώσεων
http://www.ydravlikos.gr/portal/inde...=7:-&Itemid=65

Corrosion engineering
http://faculty.kfupm.edu.sa/ME/hussa...20Engineering/

Iron corrosion
http://www.corrosionist.com/iron_corrosion.htm

Corrosion
http://2012books.lardbucket.org/book...ion_23_06.html

What causes metals to corrode and rust
http://www.artisticplating.net/corrosion.php

NDT corrosion
http://www.ndt-ed.org/EducationResou.../Corrosion.htm

Corrpro technical papers
http://www.corrpro.com/content/137/t...al-papers.aspx

Corrosion fundamentals
http://www.corrosionsource.com/FreeC...n+Fundamentals

Nace corrosion sosciety
http://www.nace.org/Corrosion-Central/