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Danneggiamento da Corrosione di Strutture e Componenti Metallici

Danneggiamento da Corrosione di Strutture e Componenti Metallici. Di Cibaldi C. I criteri di scelta e di trattamento degli acciai da costruzione e da utensiliVolume II parte II – Acciai speciali da costruzione, cap. 9. Edizione AQM, Provaglio d’Iseo anno 2008.

Cibaldi C. I criteri di scelta e di trattamento degli acciai da costruzione e da utensiliVolume IV – Diagnosi dei difetti metallurgici, cap. 5. Edizione AQM, Provaglio d’Iseo anno 2010.

La corrosione è il deterioramento di un metallo dovuto a reazioni elettrochimiche con l’ambiente, che portano all’ossidazione del metallo. Tutti i processi di corrosione sono di natura elettrochimica, la cui conoscenza è necessaria per porvi rimedio o ridurne gli effetti devastanti.

La corrosione porta frequentemente al danneggiamento in servizio e manda in avaria le strutture, i componenti e i meccanismi metallici. Si stima che ogni anno la corrosione costi all’Italia centinaia di milioni di euro. Essa condiziona in modo determinante ogni costruzione metallica e soprattutto il funzionamento di ogni impianto industriale, per la variabilità degli ambienti e fluidi trattati, a ciascuno dei quali è associato uno specifico problema corrosionistico.

La velocità, l’estensione e il tipo d’attacco corrosivo che si possono tollerare in una data applicazione variano moltissimo, secondo i requisiti specifici del progetto. Piccole variazioni della composizione dei metalli o dell’ambiente possono portare a grandi differenze di comportamento alla corrosione.

Talvolta non si comprende l’accelerazione o l’inibizione della corrosione, che probabilmente avvengono in condizioni d’interazione con altri fenomeni, non ultimi la fatica, le sollecitazioni meccaniche e l’usura. Esse possono instaurare importanti sinergie con la corrosione. Perciò il diagnosta deve porre molta attenzione alle condizioni al contorno per una corretta diagnosi e suggerire le misure protettive più appropriate mirate a migliorare la situazione ed evitare di peggiorarla.

Lo studio della corrosione è sempre piuttosto complicato; infatti, esistono molti tipi di corrosione, che spesso agiscono contemporaneamente. L’analisi del danneggiamento da corrosione e la scelta della più adatta azione correttiva richiedono approfondite conoscenze di chimica, elettrochimica e metallurgia.

Di seguito useremo il termine corrosione per indicare soltanto i fenomeni che avvengono in ambiente umido e che portano alla dissoluzione dei metalli in un elettrolito, tralasciando ogni considerazione sull’attacco chimico a caldo e sull’instabilità microstrutturale ad alta temperatura, oggetto di un altro articolo, dedicato al danneggiamento da temperatura elevata.

La natura elettrochimica della corrosione può essere illustrata dalla reazione dello zinco con l’acido cloridrico in soluzione acquosa, secondo la reazione:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2,

che è l’insieme della reazione d’ossidazione dello zinco, o reazione anodica dove il metallo cede elettroni:

Zn → Zn+2 + 2e

e di quella di riduzione degli idrogenioni H+, o reazione catodica, con acquisizione di elettroni e sviluppo d’idrogeno, secondo la reazione:

2H+ + 2e → H2.

Entrambe le reazioni d’ossidazione e riduzione devono avvenire simultaneamente e alla stessa velocità, altrimenti la reazione complessiva s’arresta e la corrosione non avviene.

La reazione anodica di ogni processo di corrosione è l’ossidazione di un metallo con formazione dei suoi ioni, che può essere scritta in forma generale come segue:

M → M+n + ne.

Durante la corrosione, possono avvenire più d’una reazione d’ossidazione. Per esempio, quando una lega è corrosa, i suoi componenti metallici vanno in soluzione come rispettivi ioni. Le reazioni d’ossidazione sono dunque tante quante le specie ioniche che si formano.

Esistono diverse reazioni catodiche che permettono la corrosione dei metalli. Le più comuni sono:

  • sviluppo d’idrogeno in soluzioni acide: 2H+ + 2e → H2;
  • riduzione dell’ossigeno sciolto in soluzioni acide: O2 + 4H+ + 4e → 2H2O;
  • riduzione dell’ossigeno sciolto in soluzioni neutre o basiche: O2 + 2H2O + 4e → 4OH-;
  • riduzione di ioni metallici presenti in soluzione, per esempio: M+3 + e → M+2;
  • riduzione di ioni  presenti in soluzione, con deposizione di metalli al catodo: Mn+ + ne → M.

Anche più reazioni catodiche di riduzione possono avvenire contemporaneamente durante la corrosione e questo accelera i processi di corrosione.

Ogni fenomeno corrosivo dipende da un gran numero di fattori che agiscono contemporaneamente e talvolta sinergicamente. Il tipo di corrosione, l’estensione e la velocità con cui progredisce sono influenzati dall’ambiente, dal tipo e qualità della superficie del metallo e dall’intensità e direzione delle sollecitazioni nel metallo. Questi fattori non restano necessariamente costanti durante la corrosione. Essi sono influenzati da cambiamenti imposti esternamente e da quelli che dipendono dal processo di corrosione stesso.

Altri fattori che influenzano fortemente i processi di corrosione includono la temperatura, i gradienti di temperatura all’interfaccia metallo-ambiente, la presenza d’eventuali interstizi nei pezzi o nelle strutture, il moto relativo tra l’ambiente e il metallo e il contatto tra metalli diversi immersi in un fluido elettricamente conduttivo (elettrolito).

I processi e le operazioni di fabbricazione come la rettifica, i trattamenti termici, la saldatura, la deformazione plastica a freddo, la foratura e il taglio generano cambiamenti locali o generali della superficie dei particolari metallici che, a vari livelli, modificano la loro suscettibilità alla corrosione.

La specifica applicazione di una struttura, di un componente o di un meccanismo determina la quantità di metallo che può essere perduta prima che si possano considerare danneggiati dalla corrosione. Alcune applicazioni possono tollerare una sostanziale riduzione dello spessore delle pareti, quando la corrosione avviene in modo generalizzato e uniforme.

Nelle applicazioni dove l’aspetto è importante, o dove il cambiamento di colore localizzato (macchie), o la contaminazione degli alimenti o di altri prodotti durante le lavorazioni o l’immagazzinamento non sono accettabili, la dissoluzione anche di una minima qiantità di metallo costituisce un danneggiamento inaccettabile.

Classificazione dei Fattori di Corrosione

La classificazione più valida dei fattori che influenzano la corrosione è quella di Akimov, che li divide in due gruppi: i fattori esterni e i fattori interni.

I fattori esterni includono la composizione dell’ambiente umido o dei fluidi (elettroliti) che lambiscono le superfici metalliche, i cui parametri più significativi sono: il pH, gli elementi inibitori o attivatori della corrosione, la concentrazione dei sali neutri, la temperatura, la velocità di flusso e correnti elettriche indotte o vaganti.

I fattori interni includono le proprietà chimiche del metallo (immunità, passività e attività), la microstruttura, le tensioni interne, le deformazioni e lo stato di finitura superficiale.

I tipi di corrosione, che si manifestano nei manufatti o strutture metalliche a contatto con vari ambienti e in diverse circostanze, possono essere sono classificati come segue:

  • corrosione uniforme(uniform corrosion);
  • corrosione localizzata, che si manifesta con diverse morfologie, quali:
  • corrosione puntiforme crateriforme (pitting), detta anche vaiolatura;
  • corrosione da celle di concentrazione di cui la corrosione per aerazione differenziale, come la corrosione interstiziale (crevice corrosion), la corrosione sotto strato e la corrosione da fouling biologico, sono forme particolari;
  • corrosione da celle di gradiente di temperatura (differential temperature);
  • corrosione galvanica (galvanic corrosion);
Schema dei Principali Tipi di Corrosione

Classificazione e schema dei principali tipi di corrosione

Danneggiamento da Corrosione di Strutture e Componenti Metallici

  • corrosione selettiva (leaching selective), di cui la dealligazione (dealloying) è una particolare forma;
  • corrosione intergranulare (intergranular corrosion);
  • corrosione sotto tensione tensocorrosione (stress corrosion cracking), che porta alla formazione e propagazione di cricche;
  • altre forme di corrosione combinate con sollecitazioni meccaniche cicliche, come la corrosione fatica (fatigue corrosion), o con l’usura, come la corrosione erosione, la cavitazione, di cui l’impingement corrosion è una forma particolare, e la corrosione da sfregamento (fretting corrosion).
Corrosione Superfici Interne Tubi Scambiatore di Calore

Esempio di corrosione generalizzata delle superfici interne di alcuni tubi di uno scambiatore di calore

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Esempio di Dealligazione

Esempio di dealligazione sulla superficie interna di una valvola d’ottone bifasico OT58 dezincificata. La dealligazione ha aggredito la sola fase beta, più ricca di zinco, trasformandola in rame metallico ridepositato e poroso.

Danneggiamento da Corrosione di Strutture e Componenti Metallici

Esempio di Danneggiato da Corrosione Erosione

Esempio di danneggiato da corrosione erosione delle generatrici inferiori di un tubo d’ottone all’alluminio per eccessiva velocità dell’acqua.

Danneggiamento da Corrosione di Strutture e Componenti Metallici

Corrosione Crateriforme Pitting

Esempio di corrosione crateriforme (pitting) di un tubo d’acciaio inossidabile austenitico AISI 304

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