КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ

В зависимости от условий, в которых эксплуатируются изделия, элек- трохимическая коррозия подразделяется на атмосферную, подземную, мор- скую и коррозию в расплавленных солях.

Атмосферная коррозия

Атмосферной коррозией называют разрушение металлов и сплавов во влажном воздухе при обычной температуре. Это самый распространенный вид коррозии. Примерно 80% металлических конструкций эксплуатируется в атмосферных условиях. Атмосферная коррозия металлов носит, в основном, электрохимический характер и протекает в тонких слоях влаги, сконденси- ровавшейся на поверхности металла.

Основными факторами, определяющими скорость коррозии в атмосфе- ре, являются степень увлажненности поверхности корродирующих металлов, наличие загрязнений и температура. Эти факторы изменяются в широких пределах, например, в морской атмосфере очень много солей, особенно хло- рида натрия, в атмосфере промышленных районов много оксидов серы, уг- лерода, азота и др.

По степени увлажненности поверхности металла различают следующие типы атмосферной коррозии: сухая, влажная и мокрая.

Сухая атмосферная коррозия – это коррозия при полном отсутствии пленки влаги на поверхности металла. Механизм сухой коррозии металлов представляет собой чисто химический процесс взаимодействия агрессивных газов с окисленной поверхностью. В сухом воздухе на поверхности металла образуются оксидные пленки, которые снижают дальнейшее окисление ме- талла. Если в воздухе имеются другие газы, например сернистые соединения, защитные свойства пленки могут снизиться и скорость коррозии в связи с этим возрастет.

Влажная атмосферная коррозия протекает при наличии на поверхности металла тончайшей невидимой пленки влаги, которая образуется в результа- те конденсации при относительной влажности воздуха ниже 100%. Конден- сация влаги в такой атмосфере может быть различной:

— Капиллярная. Капилляры, щели, зазоры способствуют конденсации влаги, так как в них имеется небольшая вогнутость мениска жидкости, сле-

довательно, давление насыщенных паров наименьшее. С уменьшением ра- диуса кривизны вогнутого мениска снижается давление насыщенных водя- ных паров над ним. Таким образом, наличие капилляров со смачивающимися стенками приводит к конденсации водяного пара, ненасыщенного по отно- шению к плоскому мениску жидкости.

— Адсорбционная. Конденсация протекает за счет адсорбции влаги на поверхности металла.

— Химическая. Конденсация влаги происходит вследствие химического взаимодействия продуктов коррозии или соли, находящихся на поверхности металла, с водой и сопровождается образованием гидратированных соедине- ний. Наличие пленки раствора соли способствует конденсации влаги, так как давление пара над раствором ниже, чем над чистым растворителем. Гигро- скопичность соли также ускоряет конденсацию влаги.

Механизм коррозии металлов во влажной атмосфере преимущественно электрохимический. На работу коррозионного микрогальванического эле- мента оказывает существенное влияние сопротивление пленки влаги на по- верхности металла.

Мокрая атмосферная коррозия – коррозия металлов при наличии на их поверхности видимой пленки влаги, протекающая при относительной влаж- ности около 100%. Такая атмосферная коррозия наблюдается при капельной конденсации влаги на поверхности металла, а также при непосредственном попадании влаги на металл (дождь, обливание конструкций водой и т. д.). Мокрая атмосферная коррозия близка к электрохимической коррозии при полном погружении металла в электролит.

На скорость атмосферной коррозии оказывает существенное влияние степень увлажненности поверхности, т. е. толщина слоя влаги (рис. 5.1).

Рис. 5.1 Зависимость скорости атмосферной коррозии от логарифма толщины слоя влаги (h) на поверхности металла: I –

сухая; II – влажная; III – мокрая; IV – коррозия при полном погружении в электролит

С увеличением толщины влажной пленки на поверхности металла ско- рость коррозии вначале резко повышается за счет увеличения электро- проводности электролита, а затем незначительно снижается вследствие уменьшения скорости диффузии кислорода к поверхности металла.

Влажность воздуха является одним из главных факторов, способствую- щих образованию на поверхности металла пленки влаги. Влажность воздуха, при которой появляется сплошная пленка влаги на поверхности металла в ре- зультате конденсации воды, называют критической влажностью. Величина критической влажности воздуха значительно изменяется в зависимости от состояния поверхности металла и состава атмосферы. Критическая влаж- ность промышленной атмосферы составляет в среднем 60% (относительная влажность). При относительной влажности атмосферы выше критической скорость атмосферной коррозии резко увеличивается.

На скорость атмосферной коррозии металлов оказывает влияние также состав пленки влаги, температура, контакт с другими металлами.

Примеси в воздухе очень сильно влияют на скорость атмосферной кор- розии. Состав пленки влаги на поверхности металла и степень ее агрессивно- сти зависят от загрязненности воздуха и характера этих загрязнений. Про- мышленные газы (SO2, SO3, СO2, H2S, NН3, Cl2, HCl), попадая в пленку влаги на поверхности металла, увеличивают ее электропроводность, гигроскопич- ность продуктов коррозии, действуют как депассиваторы (например SO2,

НС1). Твердые частицы (например частицы угля), попадающие на поверх- ность металла, способствуют адсорбции различных газов, конденсации вла- ги. Наиболее агрессивными являются сильно загрязненные индустриальные атмосферы, наименее активными – чистые и сухие континентальные ат- мосферы (табл. 5.1).

Таблица 5.1

На скорость атмосферной коррозии металлов оказывают влияние резкие температурные колебания. Повышение коррозионной агрессивности при пе- реходе от отрицательных к положительным температурам объясняется по- вышением скорости электрохимических процессов в связи с переходом пленки влаги на поверхности металла из твердого агрегатного состояния в жидкое. При снижении температуры вечером и ночью относительная влаж- ность воздуха резко увеличивается, что приводит к выпадению росы на по- верхности металлов и увеличению электрохимической коррозии.

На скорость атмосферной коррозии значительно влияет контакт двух металлов, обладающих различными значениями электродных потенциалов. При решении вопроса о допустимости контакта между металлами или спла- вами следует руководствоваться следующими данными. Все металлы и спла- вы разделены на пять основных групп: 1 – магний; 2 – цинк, алюминий, кад- мий; 3 – железо, углеродистая сталь, свинец, олово; 4 – никель, хром, хро- мистая сталь, хромоникелевые стали; 5 – медно-никелевые сплавы, медь, се- ребро. Контакт металлов, входящих в одну группу, считается допустимым, но металлы каждой последующей группы усиливают коррозию металлов предыдущей группы.

Для защиты металлов от атмосферной коррозии широко используются следующие методы.

— Легирование металлов. Для атмосферных условий эксплуатации наи- более эффективным можно считать легирование, приводящее к получению металлических сплавов с более совершенным защитным слоем продуктов

коррозии, или сплавов с пониженной анодной активностью. Например, ле- гирование стали легко пассивирующимися металлами (хром, никель, алюми- ний, титан) или катодными добавками (медь), облегчающими пассивирова- ние стали в условиях атмосферной коррозии, снижает скорость коррозии.

— Снижение относительной влажности воздуха. Уменьшение слоя электролита на поверхности металла путем снижения влажности воздуха консервацией приборов в герметичные чехлы с осушителем (силикагелем) приводит к замедлению работы коррозионных элементов.

— Использование ингибиторов.

— Применение защитных покрытий. Для защиты от атмосферной кор- розии широко применяют защитные неметаллические (лакокрасочные), ме- таллические, оксидные, фосфатные и другие покрытия.

Подземная коррозия

Подземная коррозия металлических конструкций протекает в почвен- ных или грунтовых условиях и имеет обычно электрохимический механизм. Подземной коррозии подвержены, главным образом, металлические трубо- проводы, подземные резервуары, силовые электрические кабели и др. Осо- бенно сильное разрушение наблюдается в условиях совместного воздействия грунта и блуждающих токов.

Различают следующие виды почвенной коррозии:

- Подземная коррозия – коррозия в почве, вызываемая коррозионными элементами, возникающими на металле в местах соприкосновения его с кор- розионной средой вследствие неоднородности металла сооружения, неоди- накового состава почвы, различия температур, влажности и воздухопровод- ности почвы на различных участках сооружения.

- Подземная биокоррозия – это коррозия, вызываемая жизнедеятельно- стью микроорганизмов, воздействующих на металл, обычно процесс завер- шается электрохимической коррозией.

- Электрокоррозия – коррозия металлических подземных сооружений под действием токов утечки с рельсов электрифицированных железных до- рог и других промышленных установок. Она подразделяется на коррозию блуждающими токами и коррозию внешним током.

В почве содержатся влага и различные химические реагенты, поэтому она обладает ионной проводимостью и в большинстве случаев, за исключе- нием очень сухих грунтов, механизм подземной коррозии – электрохимиче- ский. Наиболее характерным катодным процессом в подземных условиях яв-

ляется кислородная деполяризация. В кислых грунтах (болотистый) может проходить коррозия и с водородной деполяризацией.

Рассмотрим пример работы коррозионного элемента в почве (рис. 5.2).

Рис. 5.2 Работа коррозионного микроэлемента

На аноде протекает реакция окисления железа с образованием гидрати- рованных ионов:

Fe + mH2O →® Fe2+×mH2O + 2e.

На катоде протекает реакция ионизации кислорода:

O2 + 2H2O + 4e ®→ 4OH-.

В электролите почвы ионы Fe2+ и OH-взаимодействуют друг с другом, образуя нерастворимый осадок гидроксида железа, который затем может пе- рейти в оксид железа:

Fe2+ + 2OH-® Fe(OH)2, 2Fe(OH)2 ® Fe2O3 + H2O.

Анодные и катодные процессы, в большинстве случаев, протекают на различных участках, т.е. поверхность корродирующего металла состоит из некоторого числа коррозионных микроэлементов и общая скорость коррозии зависит от числа таких элементов и интенсивности их работы. Такой меха- низм коррозии называют гетерогенно-электрохимическим.

Общая скорость коррозии определяется скоростью процесса, проте- кающего медленнее других. Процесс, кинетика которого определяет общую скорость коррозии, называется контролирующим.

В зависимости от условий возможны следующие виды контроля под- земной коррозии металлов: преимущественно катодный контроль – во влаж- ных грунтах; преимущественно анодный контроль – в рыхлых и сухих грун-

тах; смешанный катодно-омический контроль – при грунтовой коррозии ме- таллических конструкций, вследствие работы протяженных макропар (тру- бопроводы).

В большинстве случаев коррозия подземных сооружений протекает с преимущественным катодным контролем, обусловленным торможением дос- тавки кислорода к поверхности металла.

Критериями опасности коррозии подземных металлических сооруже- ний, согласно ГОСТ 9.602 – 89, являются:

- коррозионная агрессивность среды по отношению к металлу конст- рукции;

- опасные действия постоянного и переменного блуждающих токов. Скорость коррозии металла в почве зависит от коррозионной активно-

сти почвы, то есть от некоторых ее свойств: структуры, пористости, влажно-

сти, минерализации грунтовых вод, кислотности, воздухопроводности, удельного электрического сопротивления и температуры среды.

— Влажность почвы. Наличие влаги делает грунт электролитом и вы- зывает электрохимическую коррозию металлов.

Рис. 5.3 Влияние влажности почвы на скорость коррозии стали: 1 – в песке; 2 – в глине

На рис. 5.3 показано влияние влажности почвы на скорость коррозии стали. Для каждой почвы существует определенный интервал влажности, со- ответствующий максимальной скорости коррозии.

— Воздухопроводность грунтов. Пористые грунты могут сохранять влагу в течение длительного времени и создавать благоприятные условия для аэрации (диффузии кислорода). Повышение воздухопроводности грун-

тов ускоряет коррозионный процесс вследствие облегчения протекания ка- тодного процесса.

— Электропроводность грунтов. Наличие в почве водорастворимых солей способствует увеличению ее электропроводности. Наиболее сильно

- 2- - 2+ 2+

влияют на коррозионный процесс ионы Cl-, NO3, SO4, НСО3, Са, Mg

Na2+ и др. Увеличение засоленности грунта, кроме того, облегчает протека-

ние анодного (депассивация анодных участков поверхности) и катодного процессов.

— Кислотность грунта. Она колеблется в широких пределах (рН 3—9). Очень кислые грунты ускоряют коррозию металлов в результате повышения растворимости вторичных продуктов коррозии и возможной дополнительной водородной деполяризации. По величине рН различают кислые (рН 3—5), нейтральные (рН 6—8) и щелочные (рН 9—10) почвы.

— Наличие микроорганизмов. Микроорганизмы, находящиеся в грунтах, могут вызывать значительное местное ускорение коррозии металлов. Наи- большую опасность представляют анаэробные сульфат-редуцирующие бак- терии, которые развиваются в илистых, глинистых и болотистых грунтах. Эти бактерии в процессе жизнедеятельности восстанавливают содержащиеся в грунте сульфаты, потребляя образующийся при катодном процессе водо- род, до сульфид-ионов с выделением кислорода:

MgSО4 + 4H = Mg(OH)2 + H2S + О2.

Выделяющийся кислород принимает участие в катодной деполяризации коррозионного процесса. Сульфид-ион является депассиватором, а также связывает ионы железа, образуя малозащитные пленки сульфида, и тем са- мым облегчает анодный процесс.

— Температура грунта. Температура грунта влияет на кинетику элек- тродных процессов и диффузию, определяющие скорость коррозии. Обычно с увеличением температуры наблюдается экспоненциальное возрастание скорости подземной коррозии металла. Различие температур на отдельных участках протяженных подземных сооружений может привести к возникно- вению термогальванических коррозионных элементов, усиливающих корро- зию.

Удельное электрическое сопротивление почвы является функцией всех рассмотренных свойств почвы и представляет один из наиболее характерных показателей коррозионной активности почв по отношению к стали. В опре- деленных границах существует прямая зависимость: чем меньше удельное электрическое сопротивление, тем больше скорость коррозии. Эта зависи- мость позволяет приближенно оценить коррозионную активность почв.

Согласно ГОСТ 9.602 – 89, коррозионную активность почв по отноше-

нию к стали оценивают:

- по удельному электросопротивлению почвы;

- по средней катодной плотности тока при смещении потенциала катода на 100 мВ отрицательнее потенциала коррозии стали.

В табл. 5.2 приведены удельное электрическое сопротивление грунта и величина средней плотности катодного тока, характеризующие коррозион- ную активность грунтов по отношению к стали.

Таблица 5.2

Для борьбы с подземной коррозией сооружений широко используют следующие способы:

— Защитные изолирующие покрытия. Это основной метод защиты. На- пример, на трубопроводы наносят битумное покрытие. Применяют также покрытия на основе липких поливинилхлоридных и полиэтиленовых лент.

— Катодная защита от внешнего источника постоянного тока или про- текторная защита.

— Искусственные среды. Для защиты от коррозии трубопроводов обра- батывают грунт, окружающий металл, различными веществами для снижения или нейтрализации его агрессивных свойств (например об- работка кислого грунта известью). Иногда для создания однородного грунта по всей длине трубопровод засыпают песчаным грунтом. Од- нако этот метод очень трудоемкий и дорогой.

Коррозия металлов блуждающим током

Коррозия металлов блуждающими токами является частным, но имею- щим большое практическое значение, случаем влияния электрического поля в электролите на процесс электрохимической коррозии металлов.

Электрический ток в почве, ответвляющийся от своего основного пути, называют блуждающим. Источником блуждающего тока могут быть элек- трические железные дороги, электролизеры, сварочные аппараты, катодные установки, линии электропередач и др. Рассмотрим влияние блуждающих

токов от электрифицированного рельсового транспорта на коррозию подзем- ных сооружений (рис. 5.4).

Рис. 5.4 Коррозия трубопровода от блуждающих токов электрифицированных железных дорог: 1 – направление движения тока; 2 – направление движения электронов;

3 – направление движения ионов

При протекании тягового тока по рельсам вдоль них происходит паде- ние напряжения и рельсы получают некоторый положительный потенциал относительно земли, а несовершенная изоляция рельсов от земли вызывает утечку тока в окружающий грунт. И чем больше продольное сопротивление и меньше переходное электросопротивление, тем больше суммарный ток утечки в землю. Вблизи подстанций и пунктов присоединения кабелей токо- отводов к рельсам существуют участки постоянной отрицательной полярно- сти рельсов, а на значительном удалении от них – постоянной положитель- ной полярности. Протекающие в земле блуждающие токи, встречая на своем пути металлические сооружения, проникают в них и текут по ним на некото- ром протяжении, создавая анодные и катодные зоны.

Особенность процесса коррозии металла в поле блуждающих токов за- ключается в том, что это электролитический процесс, который протекает по законам электролиза. На катодных участках сооружения будет протекать ре- акция восстановления водорода:

2H+ + 2 e →® H2,

на анодных участках – реакция окисления металла:

Me + mH2O→ ® Men+×mH2O + n e.

Наличие катодных и анодных участков на сооружении определяется на- правлением тока. Участок сооружения входа тока или выхода электронов яв- ляется катодом. Участок сооружения выхода тока или входа электронов яв- ляется анодом.

Если электрический ток постоянный, то участки металла, с которых по- ложительные ионы поступают в электролит, являются анодами и подверга- ются электрокоррозии; участки, на которых положительные ионы переходят из электролита в металл, являются катодами, на которых протекает процесс восстановления. Скорость коррозии пропорциональна протекающему току. Переменный блуждающий ток также коррозионноопасен, но в меньшей сте- пени, чем постоянный.

Интенсивность процесса коррозии металла в поле блуждающих токов, как правило, намного больше, чем интенсивность почвенной коррозии. Эти два процесса накладываются друг на друга. При этом совпадение анодных зон коррозионных элементов и блуждающих токов приводит к усилению коррозии.

При достаточно больших потенциалах блуждающих токов последние подавляют ток катодного микроэлемента, возникающего в процессе почвен- ной коррозии, распространяя разрушение на все микроучастки сооружения в анодной зоне блуждающих токов.

Под действием блуждающих токов величина поляризационного потен- циала сооружения смещается в анодных зонах в положительную сторону от- носительно стационарного потенциала, в катодных – в отрицательную. Ве- личина скорости коррозии определяется плотностью тока утечки.

Нанесение защитного покрытия (лакокрасочного, битумного, полиэти- ленового и др.) резко повышает сопротивление. Сопротивление изоляции подземного сооружения – наиболее существенный фактор ограничения блу- ждающих токов, воздействующих на сооружение. По сравнению с плохо изолированным сооружением в хорошо изолированном ток коррозии уменьшается в сотни раз.

Почва является параллельным проводником, например рельсов, и, в за- висимости от величины электросопротивления рельсов и грунта, ток иногда весьма значительной величины (до сотен ампер) проходит по земле. Блуж- дающие токи имеют радиус действия до десятков километров в сторону от токонесущих конструкций.

Морская коррозия

Коррозии в морской воде подвержены металлические части морских су- дов, механизмы и трубопроводы, металлические сооружения морских портов и т. д. Морская вода является хорошо аэрированным, нейтральным электро- литом с высокой электропроводностью, обусловленной наличием в ней со- лей с большим содержанием хлоридов, оказывающих депассивирующее дей- ствие.

Механизм морской коррозии металлов электрохимический, преимуще- ственно с кислородной деполяризацией. На скорость морской коррозии ока- зывают влияние состав морской воды, ее температура и скорость движения, дополнительный механический фактор (аэрирование, кавитация), контакт разнородных металлов, биологический фактор (обрастание подводной части металлических сооружений морскими растительными и животными орга- низмами). Общая концентрация солей в морской воде достигает 4%, что влияет на ее электропроводность. Йод и бром играют роль дополнительных катодных деполяризаторов и ускоряют коррозию. Хлор-ион является силь- ным депассиватором, т. е. ускоряет анодный процесс коррозии металлов. Се- роводород подкисляет морскую воду и связывает ионы металлов в трудно- растворимые сульфиды, облегчая протекание анодного и катодного элек- тродных процессов электрохимической коррозии. При прохождении элек- трического тока через подводную часть судов и морских сооружений возни- кает их электрокоррозия.

Большое влияние на скорость коррозии в морской воде оказывает глу- бина погружения. Скорость коррозии металлов резко уменьшается с глуби- ной погружения, что связано с уменьшением содержания кислорода в воде. На глубине 1000 м наблюдается минимум скорости коррозии, что соответст- вует достижению минимального содержания кислорода в морской воде.

Относительно высока скорость коррозии морских судов по ватерлинии. Особенно интенсивно процесс разрушения металла развивается в зоне, рас- положенной несколько выше этой линии. Этому способствует облегченный доступ кислорода, смывание защитных пленок с поверхности, периодиче- ское ее смачивание электролитом с последующим высыханием, перепадом температур.

Наиболее распространенным методом защиты металлов от коррозии в морской воде является нанесение лакокрасочных покрытий. Используют также цинковые и кадмиевые покрытия как самостоятельные или как под- слой под лакокрасочные. Широкое применение находит электрохимическая

защита морских судов и сооружений, а также применение некоторых корро- зионно-стойких сплавов (например сплав меди с никелем).

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: