La maggior parte delle industrie dipende dal funzionamento efficiente e affidabile dei sistemi di movimentazione dei materiali su larga scala che producono, trasportano e immagazzinano diversi prodotti chimici. Per funzionare in modo soddisfacente, questi sistemi richiedono ingenti investimenti, capitali e manutenzione regolare.
Di conseguenza, i progettisti fanno tutto il possibile per aumentare la longevità e ridurre il più possibile la necessità di manutenzione di questi sistemi.
In questo articolo esaminiamo il processo di passivazione. Anche se spesso trascurata, la passivazione svolge un ruolo fondamentale in molti sistemi su larga (e piccola) scala per garantirne la durata e le prestazioni, soprattutto quando si tratta di acciaio inossidabile.
Che cos’è la passivazione?
La passivazione è un processo di post-fabbricazione che rende un materiale passivo o inerte alle reazioni chimiche che possono modificarne la composizione e, in ultima analisi, portarlo al fallimento. Nell’industria, il processo di passivazione viene tipicamente eseguito per rendere una superficie metallica più resistente alla corrosione o all’ossidazione, creando una pellicola protettiva su di essa.
Questo film sottile, noto anche come strato di passivazione o pellicola di passivazione, copre la superficie del materiale ma non apporta alcuna modifica al metallo di base. Il film passivo agisce come una barriera per ridurre la reattività chimica del materiale, rendendolo più resistente alla corrosione e alla contaminazione. Sebbene la passivazione superficiale possa essere eseguita per molti materiali ferrosi, essa è principalmente associata agli acciai inossidabili.
L’acciaio inossidabile ha proprietà autopassivanti che gli consentono di formare uno strato di ossido di cromo. Questo strato conferisce proprietà di resistenza alla corrosione. Tuttavia, quando la superficie dell’acciaio viene sottoposta a processi di lavorazione, il metallo perde il film passivo protettivo e con esso la proprietà di resistenza alla corrosione. La perdita di questo strato espone il ferro libero sottostante e può innescare la corrosione. Se non controllata, può portare al cedimento definitivo.
Attraverso il processo di passivazione, possiamo ristabilire lo strato protettivo di ossido di cromo e ridurre la concentrazione di ferro libero in superficie. Il rapporto cromo/ferro deve essere superiore a 1. Un rapporto di 1,5:1 offre una protezione ottimale dagli attacchi di corrosione.
Passivazione dell’acciaio inossidabilePassivazione vs decapaggio
Il decapaggio e la passivazione vengono spesso fraintesi come se fossero la stessa cosa. Tuttavia, si tratta di due processi distinti, con natura e principi di funzionamento diversi.
I processi di fabbricazione, come la saldatura, generano spesso una zona termicamente alterata. Questa zona termicamente alterata introduce contaminanti e distrugge lo strato ad alto contenuto di cromo nel pezzo. Ciò riduce il contenuto di cromo in superficie.
Il decapaggio viene utilizzato per rimuovere le incrostazioni di ossido dalla superficie di un materiale, in modo da ridurre la zona termicamente alterata e lo strato a basso contenuto di cromo. Il pezzo viene immerso in una vasca di acido per una durata prestabilita. Il processo rimuove anche le particelle di ferro incorporate e l’acciaio al carbonio contaminato. Tuttavia, se la contaminazione è elevata, il pezzo dovrà essere pulito con una soluzione alcalina prima del bagno di decapaggio.
La passivazione, invece, è un processo più complesso e in molti casi consiste nel decapaggio come prima fase. Il processo di passivazione utilizza una serie diversa di soluzioni acide non solo per pulire la superficie, ma anche per favorire lo sviluppo di uno strato di ossido passivo.
Pertanto, il decapaggio viene utilizzato per pulire le parti metalliche ed è spesso un processo di pretrattamento, mentre la passivazione non solo pulisce la superficie ma forma uno strato chimicamente non reattivo. Mentre le parti decapate assumono un aspetto grigio opaco, i prodotti passivati non subiscono alcun cambiamento nell’aspetto.
Quando si usa la passivazione?
La passivazione è un processo di trattamento superficiale piuttosto rapido e automatizzabile. Di conseguenza, ha molti casi d’uso. Alcune delle situazioni in cui la passivazione si rivela una soluzione fattibile ed efficace sono le seguenti:
- Prima di mettere in funzione parti in acciaio inossidabile
- Dopo le operazioni di lavorazione meccanica
- Dopo la saldatura
- Quando i nuovi componenti vengono uniti a quelli esistenti
- La passivazione deve essere fatta dopo la contaminazione
- Come forma di manutenzione preventiva
Prima di mettere in uso parti in acciaio inossidabile
La passivazione dell’acciaio inossidabile e di altri metalli viene generalmente eseguita come ultimo processo prima di mettere in uso i pezzi. Ciò consente al materiale di entrare nell’ambiente di servizio con uno strato passivo intatto.
Molte operazioni possono alterare lo strato passivo ed esporre il materiale alla corrosione. Questo è il motivo per cui la passivazione viene eseguita dopo che tutti i processi di produzione sono stati completati e il pezzo è pronto per entrare in servizio.
Dopo le operazioni di lavorazione meccanica
Le operazioni meccaniche possono rimuovere lo strato passivo dalla superficie. Il taglio, la rettifica e la lucidatura meccanica sono alcuni esempi.
Sebbene lo strato passivo sia in grado di auto-ripristinarsi, le differenze di spessore dello strato possono provocare l’innesco della corrosione nel pezzo. Per questo motivo gli esperti raccomandano di passivare i pezzi sottoposti a operazioni meccaniche, sia in fase di produzione che di manutenzione.
Se possibile, gli utensili utilizzati per la lavorazione dovrebbero essere adatti all’acciaio inossidabile per evitare la contaminazione della superficie.
Il ferro incorporato come contaminante rappresenta un rischio maggiore di altri. Una superficie in acciaio inox con particelle di ferro incorporate supererà il test del ferroxil, ma non appena verrà messa in servizio o sterilizzata a vapore, svilupperà abbondanti quantità di ruggine. Le uniche due soluzioni, in questo caso, sarebbero quelle di eseguire più procedure di passivazione o di smerigliare e riverniciare l’area interessata.
Dopo la saldatura
Abbiamo già discusso in una sezione precedente di come la saldatura possa distruggere lo strato ricco di cromo responsabile della protezione, oltre che inglobare il pezzo con diversi contaminanti. Per questo motivo si raccomanda di passivare le parti in acciaio inox saldate. Un processo di passivazione adeguato ripristina lo strato passivo e lo rende impermeabile all’ossidazione.
Quando i nuovi componenti vengono uniti a quelli esistenti
Anche la giunzione di una nuova tubazione con una vecchia potrebbe essere un momento ottimale per passivare l’intero sistema. Quando i nuovi tubi vengono collegati a quelli vecchi, in genere vengono sottoposti a passivazione prima del servizio. Tuttavia, per collegare i due tubi si può ricorrere alla saldatura, che può innescare la corrosione come discusso nella sezione precedente.
La passivazione pre-servizio della nuova tubazione può anche non essere sufficiente a proteggere il sistema di tubazioni se le superfici interne del sistema esistente presentano già una corrosione. rugosità. Pertanto, in queste situazioni, è importante valutare attentamente le opzioni per scegliere la soluzione più adatta. Ad esempio, è possibile passivare l’intero sistema, oppure passivare a tampone il vecchio sistema dopo la saldatura o ancora utilizzare connessioni ferrate.
La scelta di derubricare e passivare l’intero sistema è la più sicura, in quanto l’appaltatore della passivazione è presente sul posto con i prodotti chimici, che verranno comunque immessi in una parte del sistema, per cui è possibile passivare anche l’intero sistema.
Dopo la contaminazione
Gli esperti raccomandano la passivazione quando il sistema è esposto a contaminanti come cloruri e ferro. Abbiamo già parlato della contaminazione da ferro. La contaminazione da cloro può essere altrettanto dannosa, in quanto è in grado di penetrare lo strato di ossido di cromo e di attaccare il metallo di base.
È risaputo che l’esposizione al cloro può distruggere interi sistemi, in quanto dà inizio al rouging e, se non controllata, provoca la rottura del metallo. Ciò è particolarmente vero per i sistemi in acciaio inossidabile austenitico.
Un altro svantaggio del cloro è che dissolve lo strato di ossido di cromo formando ossido ferrico e acido ipocloroso. L’acido ipocloroso rilascia ferro libero e cloruri, che aggravano la situazione portando alla corrosione fuori controllo del sistema.
Come forma di manutenzione preventiva
La passivazione può anche essere eseguita a intervalli regolari come manutenzione preventiva. Questo tipo di manutenzione previene i guasti affrontando i problemi quando sono ancora nelle fasi iniziali. Tuttavia, le sfide associate al processo, come il costo della passivazione, i tempi di inattività del sistema e la perdita di produttività della manodopera, possono impedire una programmazione efficace.
In questi casi, le linee di produzione possono anche passare a un piano di monitoraggio delle condizioni che controlla i segnali che indicano che un sistema richiede la passivazione. La quantità, la posizione e l’uniformità della formazione di rouge devono essere valutate per determinare quando programmare la passivazione per ridurre al minimo le perdite future. I sistemi altamente soggetti a rouging vengono passivati una volta all’anno o una volta ogni due anni.
Processo di passivazione
Il processo di passivazione consiste generalmente in quattro fasi principali. Queste fasi sono:
- Pulizia
- Applicazione di prodotti chimici per la passivazione
- Risciacquo
- Ossidazione per formare lo strato passivo
Pulizia
Affinché la passivazione abbia il massimo effetto, la superficie deve essere il più possibile pulita. La contaminazione della superficie può portare alla formazione di un potenziale elettrico sulla superficie stessa, con conseguente passivazione non uniforme.
La prima fase rimuove tutti i contaminanti come sporco, polvere, ruggine, grasso e olio superficiale fino ai confini della grana. Una volta rimossi, si ottiene uno strato di acciaio inossidabile puro che passiva in modo molto più efficace.
Applicazione di prodotti chimici per la passivazione
La passivazione viene eseguita in bagni di acido nitrico o acido citrico. Il processo rimuove il ferro libero dalla superficie.
L’acido nitrico è più conveniente, ma a causa delle preoccupazioni ambientali, l’industria si sta orientando verso l’acido citrico. L’acido citrico è anche più sicuro dell’acido nitrico. Quando si utilizza un bagno di acido nitrico, si aggiunge bicromato di sodio per favorire la formazione di ossigeno e costruire lo strato di passivazione. Questo composto è un composto tossico di cromo esavalente che richiede una manipolazione molto attenta.
Tuttavia, l’acido nitrico può gestire meglio gli attacchi di flash rispetto alla passivazione con acido citrico. Inoltre, lo strato passivo si forma più rapidamente ed è più efficace.
Un’alternativa è quella di utilizzare macchine a ultrasuoni con bagni di acido citrico. Questa combinazione favorisce la formazione di ossigeno in superficie e, quindi, una rapida formazione dello strato di ossido protettivo.
Le parti in acciaio inossidabile vengono passivate tenendole nel bagno per circa da 20 a 30 minuti a una temperatura compresa tra la temperatura ambiente e 65 °C. (149 °F).
Risciacquo
Dopo l’immersione nel bagno chimico, i pezzi vengono risciacquati in un solvente adatto per rimuovere ogni traccia della soluzione acida. Questa fase rimuove anche eventuali residui di composti ferrosi liberi.
Ossidazione per formare lo strato passivo
Le parti metalliche possono essere esposte a determinate sostanze chimiche che favoriscono la formazione di pellicole di ossido metallico dopo il risciacquo. Si tratta di sostanze chimiche come il ferricianuro di potassio, il solfato di rame e la nebbia salina. Lo strato protettivo esterno così formato è più robusto e affidabile.
Conclusione
La corrosione è uno dei problemi più comuni dei metalli in servizio, soprattutto se interagiscono con acqua o fluidi di processo a base acquosa. In questi sistemi, la corrosione può non solo danneggiare il sistema ma anche contaminare il fluido di processo (rouging). Attraverso la passivazione, possiamo garantire la loro protezione e il loro funzionamento ottimale migliorando la loro resistenza alla corrosione.
Ma la passivazione può essere un processo difficile da padroneggiare. Sono molti i fattori che influenzano questo trattamento chimico. Per questo motivo dobbiamo sempre affidarlo a specialisti della finitura dei metalli e a fabbricanti competenti per ottenere una finitura coerente e affidabile.