Koroze kovových úložných zařízení a působení bludných proudů

Co je to koroze
Název koroze je ve své podstatě značně široký pojem a vyjadřuje degradaci (znehodnocení) prakticky všech typů materiálů působením okolního prostředí. Zcela zásadní a nejtypičtější je koroze kovů, která probíhá zpravidla na povrchu daného materiálu, resp. na jeho rozhraní s okolním prostředím. Některé typy korozních procesů mají čistě chemickou podstatu bez přítomnosti elektrolytu, např. působením suchých agresivních plynů na povrch kovu, ve většině případů však ke korozi dochází za přítomnosti elektrolytů a elektrického proudu (elektrochemická koroze). Vzhledem k rozsahu a agresivitě bude tento článek zaměřen právě na typ elektrochemické koroze.

Prakticky veškerá koroze kovových zařízení, kterou můžeme vidět okolo sebe, nějakým způsobem souvisí s typem kovového materiálu, resp. s jeho standardním potenciálem a elektrolytem, který se nachází na povrchu kovu. Standardní potenciál charakterizuje elektrochemickou ušlechtilost kovů, tj. sklon kovů přecházet do iontového (oxidovaného) stavu a uvolňovat elektrony. Např. i relativně nízká vlhkost vzduchu v letním období způsobí časem na nechráněném ocelovém plechu korozi, za deštivého počasí se rychlost koroze mnohonásobně zrychluje vlivem mnohem vyšší koncentrace elektrolytu na povrchu kovu. Korozní proces zde představuje v podstatě okysličování povrchu kovů (tvorba oxidů), to je přecházení atomů kovů do chemicky vázaného stavu. Při tomto pochodu atomy kovů ztrácejí svoje elektrony, které jsou pak jinými látkami (okysličovadly) přejímány.

Některé kovy (např. zlato a platina) jsou však velmi stabilní a jsou známy jako kovy ušlechtilé (za normálních podmínek nekorodující).

Galvanické články
Elektrochemický korozní proces zde vzniká v důsledku činnosti korozních galvanických článků. Tyto články mohou být vyvolány nehomogenitou (např. nečistotou) kovu nebo nestejnorodostí prostředí (elektrolytu), ve kterém se kov nachází. Část kovu, ve které nastává přechod (rozpouštění) kovových iontů do elektrolytu, se nazývá anodou, úsek, kde nastává odnímání přebytečných elektronů, se nazývá katodou. Při současném ději tedy v kovu elektrony probíhají od anodové části ke katodové. Příčiny vzniku galvanických článků bývají velmi rozmanité a prakticky ve všech případech se tyto příčiny kombinují.

Základním předpokladem činnosti galvanického článku jsou elektrolyty (vodní roztoky kyselin, solí nebo zásad), které představují vodiče druhého řádu a jejich elektrická vodivost je dána pohybem iontů v elektrickém poli mezi elektrodami (anodou a katodou) ponořenými v elektrolytu. Prochází-li stejnosměrný proud elektrolytem, nastává elektrolýza, tj. oxidace povrchu anody ponořené v elektrolytu a redukce na povrchu katody. Chování kovů v elektrolytech během korozních procesů je podstatně ovlivňováno kyselostí nebo zásaditostí elektrolytu.

Půda je rovněž považována za elektrolyt, protože vždy obsahuje určité množství vody nebo vlhkosti, i když se podstatně liší od homogenního elektrolytu – půda v žádném případě není homogenním elektrolytem. Odlišné vlastnosti půdního elektrolytu jsou dány především specifickými vlastnostmi půdy, obsahující pevné, plynné a kapalné látky. Pevné látky mívají různé chemické vlastnosti, různé velikosti částic, půdní elektrolyt zase bývá prosycen vzduchem a vždy obsahuje rozpuštěné soli v odlišných koncentracích, kyseliny a organické sloučeniny. Na aktivitu korozních procesů mají rovněž vliv klimatické podmínky, především vlhkost a teplota.

Koroze vlivem mikročlánků
Jedna z nejčastějších příčin, která vyvolává vznik mikročlánků na povrchu kovů, je jejich chemická nečistota, tj. přítomnost různých příměsí v základním kovu. Tyto články mají velmi malé a prakticky neměřitelné rozměry a parametry. Částice kovu s kladnějším potenciálem tvoří anody, částice se zápornějším katody; elektrony se zde pohybují od anodového úseku ke katodovému, nastává vlastně současný průběh katodických a anodických reakcí (obr. 1).

Obr. 1 Princip elektrochemické koroze u mikročlánku

Koroze vlivem makročlánků
Vznik makročlánků obvykle souvisí s rozsáhlými kovovými zařízeními (dále jen úložná zařízení), jako jsou plynovody, vodovodní potrubí, ropovody apod., uloženými v zemi, resp. v půdním elektrolytu. Tato úložná zařízení procházejí nestejnorodým a nehomogenním prostředím, kde se střídají místa s různým chemickým složením, různou vlhkostí, různým přísunem kyslíku k povrchu kovu apod. Vznik a činnost těchto galvanických článků tedy souvisí s oxidačními a redukčními ději, které probíhají na povrchu kovu při jeho styku s půdním elektrolytem (okolním prostředím). Pro korozi vlivem makročlánků je charakteristické, že anody a katody jsou prostorově vzdáleny. V místech, kde probíhá oxidační děj (anoda galvanického článku), dochází na povrchu kovu k uvolňování iontů kovu do okolního prostředí – kov koroduje.

Pro železné kovy (Fe) je tento jev vyjádřen vztahem (e_ je elektron):

Katodu galvanického článku tvoří místo, kde probíhají redukční děje.

Dochází zde k vázání (odvádění) uvolněných elektronů z povrchu kovu, např. podle vztahu:

Velké změny kyslíkové propustnosti půd podél konstrukce vytvářejí rozdílné potenciály s již měřitelnými parametry na kovovém potrubí, které vyvolávají odpovídající proud (obr. 2).

Obr. 2 Vznik galvanického článku vlivem nestejnorodosti prostředí v půdě – makročlánek

V obvodu makročlánků tak může při nízkém měrném odporu půdy proud dosahovat poměrně značných hodnot a způsobit výrazné korozní narušení potrubí v místech s rozdílnou kyslíkovou propustností. Korozní procesy úložných zařízení v půdních podmínkách jsou výsledkem působení mikročlánků i makročlánků, u rozsáhlých zařízení (potrubní systémy) korozní ohrožení roste s jejich délkou.

Koroze v místě styku dvou kovů
Při styku dvou různých kovů v elektrolytu vzniká rovněž galvanický článek, kde jeden kov tvoří anodu a druhý katodu (obr. 3). Který z kovů tvořících elektrody galvanického článku je anodou nebo katodou, je možné usuzovat na základě standardních elektrodových potenciálů uvažovaných kovů. Anodu článku obvykle tvoří aktivnější kov (v tabulce 1 umístěný nahoře).

Obr. 3 Vznik galvanického článku v důsledku styku různých kovů

Standardní potenciál tedy charakterizuje elektrochemickou ušlechtilost kovů, tj. sklon kovu přecházet do oxidovaného stavu a uvolňovat elektrony.

Z výčtu kovů uvedených v této tabulce je zřejmé, že nejaktivnějším kovem je draslík, nejméně aktivním pak zlato. Podstata anodického, resp. oxidačního procesu je vlastně přechod atomu kovů do okolního prostředí v iontovém stavu.

Tabulka 1 Standardní elektrodový potenciál při 25°C u některých kovů vztažených k vodíku

Koroze bludnými proudy
Tento druh koroze rovněž vzniká anodickými a katodickými procesy, ale s tím rozdílem, že jsou na povrchu kovu vyvolány vnějším zdrojem stejnosměrného proudu (obr. 4). Vyskytuje se převážně u kovových úložných zařízení, které buď nejsou vůbec, nebo jsou nedostatečně odizolovány od půdního prostředí a jsou uloženy v blízkosti zdrojů, které bludné proudy vyvolávají. K těmto zdrojům patří především kolejová doprava elektrizovaná stejnosměrným proudem (vlaková doprava, tramvaje). Kladný pól napájecího zdroje je u většiny elektrizovaných tratí připojen k troleji, záporný pak ke kolejnici. Kolejnice jako zpětný vodič trakčního proudu není a ani nemůže být nikdy zcela odizolován od okolního prostředí (od země), část trakčního proudu se tedy dostává do země a v blízkosti trakční měnírny teče zpět ke zdroji elektrického proudu.

Obr. 4 Princip elektrolytické koroze

Elektrický proud unikající z trakčních kolejnic (protékající např. zemí, vodou, úložným zařízením) je nazýván bludným proudem. Obecně je zdrojů proudů tekoucích zemí mnoho (např. telurické proudy protékající vrchní vrstvou zemské kůry, které souvisejí s denními variacemi magnetického pole). Proto ČSN 03 8370 v názvosloví upřesňuje, že bludný proud je elektrický proud unikající z elektrických zařízení nedostatečně izolovaných proti zemi nebo používajících země jako zpětného vodiče. Negativní účinky bludných proudů jsou především v těch místech, kde bludné proudy z kovových konstrukcí vystupují do země (např. z úložných potrubí, nádrží, železobetonových objektů, armatur mostů, metalických kabelových plášťů).

Ing. Jan Matouš