De toepassing van potentiaalmetingen in de praktijk

De toepassing van materialen in bepaalde bedrijfscondities kan soms problemen opleveren. Indien vooraf inzicht kanworden verkregen in het gedrag van een materiaal in een bepaald milieu onder bepaalde condities dan kan dit op termijn grote problemen voorkomen. Er zijn diverse methoden om het corrosiegedrag van metalen te onderzoeken. Het eenvoudigst is simulatie van de werkelijkheid door het betreffende materiaal in contact te brengen met het milieu. Nadeel van deze methode is dat er niet, in een relatief korte tijd, een betrouwbaar beeld kan worden verkregen van corrosie-eigenschappen.

E.G. Scheep~rs en L.H. Brantsma

(artikel gepubliceerd in Aluminium nummer 3, 1997- artikel 14)

Een methode waarbij in relatief korte tijd wel informatie kan worden verkregen over het corrosiegedrag is elektrochemische potentiaalmeting. Na een beschrijving van de techniek en de mogelijkheden hiervan zal aan de hand van een voorbeeld duidelijk worden gemaakt hoe deze techniek belangrijke informatie kan opleveren voordat de materiaalkeuze wordt gemaakt en onderdelen worden aangemaakt.

In een waterig milieu zullen aan het grensvlak metaal - water reacties plaatsvinden. Deze reacties bestaan vaak uit twee deelreacties, namelijk de reactie aan de anode en de reactie aan de kathode. Bij de anode zal het metaal meestal in oplossing gaan (corrosie) en bij de kathode vindt een reactie plaats waarbij vaak waterstofionen gereduceerd worden tot waterstof. Deze reacties berusten op de uitwisseling van elektronen. Bewegende elektronen kennen we als een elektrische stroom. We kunnen dus een anodische en kathodische stroom onderscheiden. Door een continue variërende elektrische spanning tussen een metaalmonster en een platina -elektrode te plaatsen en de stroomsterkte te meten als functie van de spanning is een inzicht te verkrijgen in de corrosiesnelheid van het metaal in het gekozen milieu. De opstelling (afbeelding 1) bestaat uit een bekerglas met daarin het gekozen milieu (waterige oplossing). In de vloeistof worden verder geplaatst een werkelektrode (monster), een platina-elektrode en een referentie- elektrode. De werkelektrode is het te onderzoeken materiaal. De elektrische stroom loopt tussen de platina-elektrode en de werkelektrode. De spanning tussen een referentie-elektrode en de werkelektrode wordt gemeten.

Afbeelding 1. De proefopstelling voor het meten van corrosiepotentialen.

BEPALING POTENTIALEN

Met deze opstelling zijn achtereenvolgens de volgende karakteristieke potentialen voor onder andere roestvast-staal- en aluminiumlegeringen te bepalen:

Rustpotentiaal - Dit is de potentiaal waarbij het systeem in evenwicht is en die zich zou instellen indien algemene corrosie optreedt.
Putpotentiaal - Dit is de potentiaal waarbij een aanwezige passieve laag wordt doorbroken en het materiaal putvormig wordt aangetast.
Repassiveringspotentiaal - Dit is de potentiaal waarbij herstel optreedt van de beschadigde/doorbroken passieve laag.

Ook wordt de redoxpotentiaal bepaald door de spanning in stroomloze toestand tussen de platina-elektrode en de referentie-elektrode te meten. Dit is een potentiaal typerend voor het milieu. De hoogte van de diverse potentialen ten opzichte van elkaar geeft informatie over het te verwachten corrosiegedrag. Met name of de redoxpotentiaal van de vloeistof boven of onder een putpotentiaalligt bepaalt het al dan niet optreden van putcorrosie. De positie van de repassiveringspotentiaal bepaalt vervolgens of het materiaal, nadat putcorrosie is ontstaan, in staat is te repassiveren.

DE PRAKTIJK

Een voorbeeld uit de praktijk betreft het volgende: een tank van een aluminiumlegering is in gebruik als tussenopslag voor bronwater. De opdrachtgever was onbekend met het gedrag van het toegepaste aluminium met bronwater en wilde voordat er problemen zouden optreden inzicht krijgen in het corrosiegedrag van het aluminium. Besloten werd middels elektrochemische metingen vast te stellen in hoeverre het voor de tank toegepaste aluminium in het betreffende bronwater aan corrosie onderhevig zou zijn. De opdrachtgever heeft behalve een sectie uit de tankwand ook een monster van het bronwater aangeleverd. Er zijn metingen uitgevoerd bij l5°C, zijnde de maximaal te verwachten opslagtempera tuur. De metingen zijn verricht aan een stukje lasmateriaal en een stukje plaatmateriaal, beide in een toestand waarin het materiaal was ontvangen: relatief ruw en met een reeds aangetast oppervlak. De metingen zijn herhaald nadat het oppervlak was geschuurd (tot korrel 320). De resultaten zijn samengevat in de onderstaande tabel. De gemeten redoxpotentiaal is positiever dan de putpotentiaal. Dit betekent dat onder de toegepaste omstandigheden putvormige aantasting zal gaan optreden. Uit het feit dat ook de repassiveringspotentiaal negatiever is dan de redoxpotentiaal kan worden afgeleid dat er geen repassivering zal optreden. Dit betekent praktisch dat eenmaal gevormde putten of andere beschadigingen in/van de passieve laag zich niet zullen herstellen. Dit is van belang omdat aluminium de corrosiebestendigheid in waterige milieus grotendeels ontleent aan de aanwezigheid van een passieve laag aan het oppervlak. Putten en beschadigingen zullen dus blijven corroderen en uiteindelijk zal dit tot penetratie van de tankwand leiden, met als gevolg lekkage.

De uiteindelijke corrosiesnelheid wordt beïnvloed door de stroomsnelheid van het water(= verversing). Bij een regelmatige verversing of continue doorstroming van het bronwater kan aantasting van het aluminium snel verlopen doordat de diffusielaag direct aan het corroderende oppervlak niet verzadigd raakt met opgelost metaal. Door de hoge stroomsnelheid zullen de corrosieproducten worden afgevoerd en corrodenten worden aangevoerd. Uit de metingen komt ook naar voren dat het effect van een geschuurd oppervlak met betrekking tot de corrosieweerstand gering is.

Een mogelijke oorzaak voor de ontoereikende corrosieweerstand is te vinden in de toegepaste samenstelling van het aluminium. De aanwezigheid van lage gehalten aan ijzer of koper als legeringselement of verontreiniging is zeer nadelig voor de weerstand tegen putcorrosie. Deze elementen vormen precipitaten die, indien zij aan het oppervlak liggen, de passiveerhuid doorbreken en daarmee het materiaal gevoeliger maken voor putcorrosie. Zuiver aluminium (99,5% of meer) en aluminium magnesiumlegeringen beschikken van de aluminiumlegeringen over de beste corrosiebestendigheid in waterige milieus.

CONCLUSIE

De uiteindelijke conclusie van het onderzoek was dat de toegepaste aluminiumlegering een te lage corrosieweerstand had in een milieu van bronwater en dat hierdoor de tankwand binnen korte tijd, namelijk dagen tot weken, door putcorrosie zou worden aangetast. Ondanks dat deze onderzoeken zijn uitgevoerd nadat de tank al was gebouwd - de tank was reeds in gebruik en vertoonde reeds de eerste tekenen van putcorrosie - kon door de metingen duidelijk worden aangetoond dat de materiaalkeuze verkeerd was. Zodoende kon reeds vroegtijdig naar alternatieven worden gezocht om te zorgen dat het productieproces van de opdrachtgever niet of zo kort mogelijk zou worden onderbroken.