Salta al contenuto
Note per Studenti Esercizio - velocità di corrosione, perdita di massa e vita residua di un serbatoio

Esercizio - velocità di corrosione, perdita di massa e vita residua di un serbatoio

In questa pagina 7

Teoria: Corrosione dei metalli e protezioneLa corrosione umida è una cella galvanica che si forma da sola: anodo (M → M^n+ + ne−), catodo (O2 + 2H2O + 4e− → 4OH− in ambiente neutro, 2H+ + 2e− → H2 in acido), conduttore elettronico ed elettrolita; mancando uno dei quattro non c'è corrosione. La velocità segue Faraday (0,116 mm/anno per il ferro a 10 μA/cm²). Due metalli diversi a contatto: si corrode il meno nobile (serie galvanica), tanto più quanto più piccolo è l'anodo rispetto al catodo. Forme: uniforme, galvanica, in fessura e per aerazione differenziale, vaiolatura, intergranulare, sotto tensione. Passivazione: film di ossido sottile e protettivo (Al2O3, Cr2O3, rapporto di Pilling-Bedworth tra 1 e 2). Protezione: rivestimenti (zinco anodico e sacrificale, stagno catodico), inibitori, protezione catodica con anodi sacrificali (Zn, Al, Mg) o a corrente impressa (acciaio a −0,85 V rispetto a Cu/CuSO4).Corrosione dei metalli e protezione →.

Testo. Per valutare la corrosione di un serbatoio di acciaio al carbonio (assimilato a ferro: M=55,85M = 55{,}85 g/mol, z=2z = 2, ρ=7,87 g/cm3\rho = 7{,}87\ \text{g/cm}^3) si lascia a contatto con il liquido per 9090 giorni un provino con superficie esposta A=50 cm2A = 50\ \text{cm}^2. Alla fine la perdita di massa è Δm=0,62\Delta m = 0{,}62 g (F=96 485F = 96\,485 C/mol).

  1. Calcolare la velocità di penetrazione in mm/anno.
  2. Calcolare la densità di corrente di corrosione equivalente in μA/cm2\mu\text{A/cm}^2.
  3. Il serbatoio ha parete di spessore 8,08{,}0 mm e superficie interna 30 m230\ \text{m}^2; lo spessore minimo ammesso è 5,05{,}0 mm. Calcolare la vita residua e la massa di ferro persa in un anno.
  4. Se invece la corrosione fosse per vaiolatura, con profondità massima 5 volte la penetrazione media, quale sarebbe la vita residua?
  5. (confronto) Una zincatura con strato di 85 μm85\ \mu\text{m} che si consuma a 1,5 μm1{,}5\ \mu\text{m} all'anno quanto dura? Quante volte più lentamente si corrode dell'acciaio?

1. Velocità di penetrazione

Il volume perso è la massa diviso la densità; diviso l'area dà la profondità media: V=Δmρ=0,627,87=0,0788 cm3d=VA=0,078850=1,576⋅10−3 cm=0,01576 mmV = \frac{\Delta m}{\rho} = \frac{0{,}62}{7{,}87} = 0{,}0788\ \text{cm}^3 \qquad d = \frac{V}{A} = \frac{0{,}0788}{50} = 1{,}576\cdot10^{-3}\ \text{cm} = 0{,}01576\ \text{mm} in 9090 giorni. In un anno (365/90=4,056365/90 = 4{,}056 volte più a lungo): v=0,01576⋅36590=0,0639 mm/annov = 0{,}01576\cdot\frac{365}{90} = 0{,}0639\ \text{mm/anno}

2. Densità di corrente equivalente

La massa persa corrisponde a n=ΔmM=0,6255,85=0,0111n = \dfrac{\Delta m}{M} = \dfrac{0{,}62}{55{,}85} = 0{,}0111 mol di ferro, cioè Q=zFn=2⋅96 485⋅0,0111=2142Q = zFn = 2\cdot96\,485\cdot0{,}0111 = 2142 C. Il tempo è 90⋅86 400=7,776⋅10690\cdot86\,400 = 7{,}776\cdot10^6 s, quindi I=Qt=21427,776⋅106=2,75⋅10−4 Aicorr=IA=2,75⋅10−450=5,5⋅10−6 A/cm2=5,5 μA/cm2I = \frac{Q}{t} = \frac{2142}{7{,}776\cdot10^6} = 2{,}75\cdot10^{-4}\ \text{A} \qquad i_\text{corr} = \frac{I}{A} = \frac{2{,}75\cdot10^{-4}}{50} = 5{,}5\cdot10^{-6}\ \text{A/cm}^2 = 5{,}5\ \mu\text{A/cm}^2 Controllo con la formula pratica: v=3,27⋅10−3⋅5,5⋅27,937,87=0,0638v = 3{,}27\cdot10^{-3}\cdot\dfrac{5{,}5\cdot27{,}93}{7{,}87} = 0{,}0638 mm/anno ✓.

3. Vita residua e massa persa

Margine di corrosione: 8,0−5,0=3,08{,}0 - 5{,}0 = 3{,}0 mm. Se la corrosione è uniforme: tvita=3,0 mm0,0639 mm/anno=47 annit_\text{vita} = \frac{3{,}0\ \text{mm}}{0{,}0639\ \text{mm/anno}} = 47\ \text{anni} Massa persa in un anno su 30 m2=3,0⋅105 cm230\ \text{m}^2 = 3{,}0\cdot10^5\ \text{cm}^2: m=ρ v A=7,87 g/cm3⋅6,39⋅10−3 cm⋅3,0⋅105 cm2=1,51⋅104 g=15,1 kg/annom = \rho\,v\,A = 7{,}87\ \text{g/cm}^3\cdot6{,}39\cdot10^{-3}\ \text{cm}\cdot3{,}0\cdot10^5\ \text{cm}^2 = 1{,}51\cdot10^4\ \text{g} = 15{,}1\ \text{kg/anno} Una perdita di massa modesta può comunque essere pericolosa se concentrata in pochi punti (punto 4).

4. Corrosione localizzata (vaiolatura)

Con fattore di vaiolatura 55 la profondità massima cresce di 5⋅0,0639=0,3205\cdot0{,}0639 = 0{,}320 mm/anno, e tvita=3,00,320=9,4 annit_\text{vita} = \frac{3{,}0}{0{,}320} = 9{,}4\ \text{anni} La stessa perdita di massa media dà una vita 5 volte più breve: per la corrosione localizzata contano la profondità massima e non la media.

5. Zincatura

tZn=85 μm1,5 μm/anno=57 annit_\text{Zn} = \frac{85\ \mu\text{m}}{1{,}5\ \mu\text{m/anno}} = 57\ \text{anni} L'acciaio nudo perde 0,0639 mm/anno=63,9 μm/anno0{,}0639\ \text{mm/anno} = 63{,}9\ \mu\text{m/anno}: lo zinco si consuma 63,91,5=43\dfrac{63{,}9}{1{,}5} = 43 volte più lentamente, benché sia termodinamicamente molto più reattivo (E∘=−0,76E^\circ = -0{,}76 V contro −0,44-0{,}44 V): in atmosfera si copre di uno strato di ossido/carbonato aderente e poco solubile (passivazione parziale; vedi la nota di teoria). Se lo strato si graffia, lo zinco protegge anche l'acciaio scoperto in modo sacrificale.

Risultati

grandezza valore
penetrazione 0,064 mm/anno (0,01580{,}0158 mm in 90 giorni)
densità di corrente di corrosione 5,5 μA/cm2\mu\text{A/cm}^2
vita residua (uniforme) / massa persa 47 anni / 15,1 kg/anno
vita con vaiolatura (fattore 5) 9,4 anni
zincatura 57 anni, 43 volte più lenta dell'acciaio

Errori comuni

  • Dimenticare di dividere per la densità (o per l'area) quando si passa da massa a profondità.
  • Confondere il tempo del provino con un anno: bisogna riportare la velocità a mm/anno.
  • Usare la velocità media per la corrosione localizzata: serve la profondità massima.
  • Dimenticare di sottrarre lo spessore minimo ammesso dalla parete: il margine è 8−5=38 - 5 = 3 mm.

Versione ripasso

Testo. Provino di acciaio (50 cm250\ \text{cm}^2, 9090 giorni, perdita 0,620{,}62 g; Fe: M=55,85M = 55{,}85, z=2z = 2, ρ=7,87\rho = 7{,}87); serbatoio con parete 8,08{,}0 mm, minimo 5,05{,}0 mm, 30 m230\ \text{m}^2. Velocità in mm/anno, icorri_\text{corr}, vita residua e massa persa, vita con vaiolatura (fattore 5), zincatura 85 μm85\ \mu\text{m} a 1,5 μm1{,}5\ \mu\text{m}/anno. Teoria: Corrosione dei metalli e protezioneLa corrosione umida è una cella galvanica che si forma da sola: anodo (M → M^n+ + ne−), catodo (O2 + 2H2O + 4e− → 4OH− in ambiente neutro, 2H+ + 2e− → H2 in acido), conduttore elettronico ed elettrolita; mancando uno dei quattro non c'è corrosione. La velocità segue Faraday (0,116 mm/anno per il ferro a 10 μA/cm²). Due metalli diversi a contatto: si corrode il meno nobile (serie galvanica), tanto più quanto più piccolo è l'anodo rispetto al catodo. Forme: uniforme, galvanica, in fessura e per aerazione differenziale, vaiolatura, intergranulare, sotto tensione. Passivazione: film di ossido sottile e protettivo (Al2O3, Cr2O3, rapporto di Pilling-Bedworth tra 1 e 2). Protezione: rivestimenti (zinco anodico e sacrificale, stagno catodico), inibitori, protezione catodica con anodi sacrificali (Zn, Al, Mg) o a corrente impressa (acciaio a −0,85 V rispetto a Cu/CuSO4).Corrosione dei metalli e protezione →.

  1. Penetrazione: V=0,62/7,87=0,0788 cm3V = 0{,}62/7{,}87 = 0{,}0788\ \text{cm}^3, d=V/A=0,01576d = V/A = 0{,}01576 mm in 9090 giorni; v=0,01576⋅365/90=0,0639v = 0{,}01576\cdot365/90 = 0{,}0639 mm/anno.
  2. Corrente: n=0,0111n = 0{,}0111 mol, Q=2⋅96 485⋅0,0111=2142Q = 2\cdot96\,485\cdot0{,}0111 = 2142 C, t=7,776⋅106t = 7{,}776\cdot10^6 s, icorr=5,5 μA/cm2i_\text{corr} = 5{,}5\ \mu\text{A/cm}^2 (verifica con 3,27⋅10−33{,}27\cdot10^{-3}).
  3. Serbatoio: margine 3,03{,}0 mm, vita 3,0/0,0639=473{,}0/0{,}0639 = 47 anni; massa ρvA=15,1\rho vA = 15{,}1 kg/anno.
  4. Vaiolatura: profondità 5⋅0,0639=0,3205\cdot0{,}0639 = 0{,}320 mm/anno, vita 9,49{,}4 anni (conta la profondità massima).
  5. Zinco: 85/1,5=5785/1{,}5 = 57 anni; 63,9/1,5=4363{,}9/1{,}5 = 43 volte più lento dell'acciaio perché si passiva in parte.

Errori tipici: massa non convertita in profondità; tempo del provino scambiato con un anno; velocità media per la corrosione localizzata; spessore minimo dimenticato.

Teoria collegata