Corrosione-erosione e cavitazione: quando il flusso aggrava la corrosione

Molte leghe si difendono dalla corrosione grazie a un sottile film protettivo che si rigenera da solo. Ma se un fluido scorre abbastanza veloce, o se nelle pompe si formano e collassano bolle di vapore, quel film viene strappato via di continuo e il metallo sottostante resta esposto. Nasce così la corrosione-erosione e il suo caso estremo, la cavitazione: forme di degrado in cui il movimento del fluido accelera enormemente l’attacco.

Vediamo come il flusso rimuove il film protettivo, che cos’è la cavitazione nelle pompe, dove colpiscono questi fenomeni e quali materiali vi resistono.

Quando il movimento aggrava la corrosione

La corrosione-erosione è l’accelerazione dell’attacco corrosivo dovuta al moto relativo tra un fluido aggressivo e la superficie metallica. Il meccanismo è sinergico: il fluido in movimento, soprattutto se contiene particelle solide in sospensione o bolle, esercita un’azione meccanica che asporta il film di prodotti di corrosione e lo strato passivo; il metallo nudo così esposto si corrode rapidamente, formando nuovo film, che viene di nuovo strappato. Il ciclo continua e la velocità di corrosione si moltiplica rispetto a un fluido fermo.

Il film protettivo strappato dal flusso

Le leghe più colpite sono proprio quelle che si affidano a un film protettivo sottile e tenace, come il rame e le sue leghe o l’alluminio. Esiste per ciascuna una velocità critica del fluido oltre la quale il film non riesce più a riformarsi abbastanza in fretta: sotto quella soglia la lega è praticamente immune, sopra l’attacco esplode. La morfologia tipica è fatta di solchi, ondulazioni e cavità a forma di ferro di cavallo, tutte orientate nella direzione del flusso, spesso con superfici lucide e levigate perché il film non fa in tempo a depositarsi.

La cavitazione nelle pompe

La cavitazione è una forma particolarmente violenta. Dove la pressione di un liquido scende localmente sotto la sua tensione di vapore, ad esempio all’ingresso della girante di una pompa o sul dorso di un’elica, si formano minuscole bolle di vapore. Quando il liquido torna in zona di pressione più alta, queste bolle collassano di colpo, generando microgetti e onde d’urto di pressione enorme proprio contro la parete metallica. Ogni implosione martella la superficie: distrugge il film passivo e, ripetendosi miliardi di volte, scava il metallo lasciando una superficie spugnosa e butterata.

p_locale < p_vapore → bolle  →  collasso  →  microgetti + danno

La cavitazione unisce dunque un danno meccanico (l’urto delle implosioni) a quello corrosivo (l’esposizione ripetuta del metallo nudo). È un nemico classico di pompe, valvole, eliche e tutti i componenti idraulici dove il liquido subisce forti variazioni di pressione e velocità. Le pressioni d’urto sviluppate dal collasso delle bolle possono raggiungere localmente valori dell’ordine delle centinaia di megapascal, sufficienti a danneggiare meccanicamente anche metalli duri: il danno, perciò, non è puramente corrosivo, ed è questa doppia natura che rende la cavitazione così aggressiva e difficile da arginare con la sola scelta del materiale.

Dove colpisce e come si combatte

I punti critici sono prevedibili: gomiti e curve delle tubazioni, dove il flusso cambia direzione; restringimenti e valvole, dove accelera; gironi e ingressi delle pompe; zone di turbolenza a valle di ostacoli. La difesa passa per il progetto idraulico (evitare cambi bruschi di sezione e di direzione, contenere la velocità sotto la soglia critica, assicurare un battente sufficiente alle pompe per scongiurare la cavitazione) e per la scelta dei materiali.

Perché conta nella pratica

La corrosione-erosione e la cavitazione spiegano perché certi componenti si forano sempre nello stesso punto: il gomito dopo la pompa, l’imbocco di una valvola, la girante di una pompa che lavora con poco battente. Conoscere il legame con la velocità del fluido e con le zone di bassa pressione permette di intervenire alla radice, lavorando sul progetto idraulico prima ancora che sul materiale. Per chi gestisce impianti con fluidi in movimento, soprattutto acque o liquidi con particelle in sospensione, capire questi meccanismi significa prevenire forature ricorrenti, scegliere i materiali giusti nei punti critici e dimensionare correttamente pompe e tubazioni.

Domande frequenti

Che cos’è la corrosione-erosione?

È l’accelerazione della corrosione dovuta al moto relativo tra un fluido aggressivo e la superficie metallica. L’azione meccanica del flusso, specie se contiene particelle o bolle, rimuove di continuo il film protettivo ed espone metallo fresco che si corrode in fretta. È tipica delle leghe che si difendono con un film sottile, come quelle di rame e di alluminio, e dipende fortemente dalla velocità del fluido.

Che cos’è la cavitazione?

È la formazione e il collasso di bolle di vapore in un liquido, dove la pressione locale scende sotto la tensione di vapore (ad esempio all’ingresso di una pompa) e poi risale. Le bolle implodono generando microgetti e onde d’urto contro la parete metallica, che martellano la superficie, distruggono il film protettivo e scavano il metallo, lasciandolo spugnoso e butterato. Unisce danno meccanico e corrosivo.

Perché esiste una velocità critica del fluido?

Perché molte leghe resistono grazie a un film protettivo che si rigenera continuamente. Sotto una certa velocità il film si riforma più in fretta di quanto il flusso lo asporti e la lega è praticamente immune; sopra quella velocità critica il film non fa in tempo a ricostruirsi e l’attacco si scatena. La soglia dipende dalla lega e dalle condizioni del fluido.

Dove si manifestano più spesso questi fenomeni?

Nei punti dove il flusso accelera o cambia direzione: gomiti e curve delle tubazioni, restringimenti, valvole, ingressi e giranti delle pompe, eliche, zone di turbolenza dietro gli ostacoli. La cavitazione in particolare colpisce dove la pressione scende localmente, come l’aspirazione di una pompa che lavora con battente insufficiente.

Quali materiali resistono meglio alla corrosione-erosione?

Le leghe con film più tenace e maggiore durezza: il cupronichel (rame-nichel) è una scelta classica per l’acqua di mare, perché tollera velocità più alte dell’ottone; per condizioni severe si usano titanio e leghe al nichel. Anche rivestimenti e riporti duri proteggono le zone più esposte. Spesso, però, la soluzione migliore è ridurre la velocità del fluido con un buon progetto idraulico.