Коррозия металлических конструкций
Классификация коррозионных процессов
Коррозия металлических конструкций наносит огромный ма-
териальный ущерб, а также ущерб здоровью и нормальной жиз-
недеятельности граждан. Из-за коррозии 10-12% ежегодно вы-
плавляемого в мире металла, что составляет более 50 млн. тонн,
приходит в негодность, при этом около 8% годового производ-
ства металла теряется безвозвратно.
Коррозия металлов – это их самопроизвольное разрушение,
вызванное химическими или электрохимическими процессами,
развивающимися на поверхности тела при его взаимодействии с
окружающей средой.
По характеру взаимодействия с окружающей средой разли-
чают следующие виды коррозии:
- атмосферная коррозия, протекающая в атмосферной сре-
де в результате конденсации на поверхности
конструкции капель влаги и растворенных в них химически активных веществ;
- почвенная коррозия, протекающая в грунтовой среде в
результате соприкосновения с грунтовой влагой, химически ак-
тивными элементами, находящимися в почве, включая техно-
генные загрязнители;
- жидкостная коррозия, протекающая в растворах кислот и
щелочей;
- контактная коррозия, протекающая на границе контакта
металлических строительных конструкций, изготовленных из
разных металлов;
- щелевая коррозия, протекающая на границе различных
сред (часть конструкции эксплуатируется в электролите –
например, почве, воде, часть конструкции – в атмосфере).
Большему разрушению подвержена та часть конструкции, кото-
рая находится в электролите, а наиболее интенсивная коррозия
протекает на границе сред.
- структурная коррозия, протекающая в сплавах металлов
на границе зерен;
- коррозия под напряжением, протекающая в местах сосре-
доточения динамической или статической нагрузки.
По характеру разрушения поверхности металлической конст-
рукции различают следующие виды коррозионных поврежде-
ний:
- сплошная равномерная, в виде равномерной коррозион-
ной пленки – ржавчины;
- сплошная неравномерная, в виде слоя ржавчины, пере-
менного по толщине;
- структурно-избирательная, характерная для сплавов, в
виде разрушения отдельных мест внутри строительного мате-
риала; - местная коррозия в виде разрушения отдельных участков
(коррозия пятнами, точечная, язвенная);
- межкристаллитная коррозия, происходящая без видимого
внешнего разрушения металла вследствие того, что коррозий-
ный процесс идет в основном по границам зерен кристаллов.
Наиболее опасным считается неравномерное разрушение по-
верхности металлической конструкции, поскольку образуются
глубоко проникающие язвенные или точечные повреждения на
отдельных участках конструкции. Значительную опасность
представляет также коррозия на границах кристаллов, в резуль-
тате которой конструкция может разрушиться без видимых по-
вреждений.
Механизмы протекания коррозии металлов
Химическая коррозия
Химическая коррозия протекает при соприкосновении метал-
локонструкций с кислородом или газами при высокой темпера-
туре (свыше 100˚С), т.е. в среде горячих газов, а также в вещест-
вах –неэлектролитах (бензин, спирт и т.д.).
Подобные коррозионные процессы происходят в котлах, ды-
мовых трубах котельных, водонагревателях, работающих на га- зовом топливе, теплообменниках, работающих на жидком и
твердом топливе, в печах.
В процессе протекания химической коррозии образуется ок-
сидная пленка FeO. Если она имеет достаточную адгезию к по-
верхности металла, то доступ кислорода к металлу затрудняется,
и коррозия значительно замедляется. Учитывая, что распределе-
ние температуры на поверхности металла неравномерно, а также
наличие агрессивных примесей, оксидная пленка местами от-
слаивается, и процесс коррозии возобновляется с прежней ско-
ростью.
При дальнейшем нагревании оксидной пленки происходит
процесс диссоциации, т.е. ее химического превращения в более
рыхлую пленку Fe2O3. Рыхлая неоднородная пленка, имеющая
плохую адгезию, пропускает молекулы кислорода, и процесс
коррозии не затухает.
При эксплуатации сплавов в среде горячих газов с содержа-
нием кислорода происходит обезуглероживание стали, т.е.
уменьшение содержания углерода в поверхностном слое конст-
рукции. Материал стальной конструкции теряет свою прочность
и пластичность, превращаясь в мягкое железо, быстро деформи-
руется и разрушается.
Если в газовой среде присутствует водород, то в результате
его диффузии в объем стали и растворения в ней, наступает во-
дородная хрупкость и разрушение материала.
Электрохимическая коррозия
Большинство металлических конструкций зданий и сооруже-
ний разрушается в процессе протекания электрохимической
коррозии, т.е. разрушения в растворах электролитов.
При контакте с окружающей средой на поверхности конст-
рукции появляется водная пленка с растворенными примесями,
находящимися как на поверхности конструкции, так и в окру-
жающей среде. При этом образуются растворы – электролиты,
вызывающие электрохимическую реакцию.
Условия развития процесса электрохимической коррозии: - металл на всем протяжении участка должен быть прово-димым для электронов;
- электролит должен обеспечивать проводимость тока на
участках контакта анода и катода.
В электролитах имеются положительно заряженные частицы
– катионы и отрицательно заряженные – анионы, которые при-
соединяют к себе молекулы воды.
При электрохимической коррозии происходит разделение
металлоконструкции на две зоны: анодную и катодную.
На анодных участках протекает анодный процесс – переход
ионов металла в раствор и образование нейтральных молекул, а
освободившиеся электроны, оставаясь в металле, движутся к
катодному участку.
На катодных участках поверхности металла избыточные
электроны поглощаются ионами, атомами или молекулами
электролита (деполяризатормами – вода и растворенный кисло-
род), которые восстанавливаются.
Этот процесс описывается следующей схемой:
Описанные процессы взаимосвязаны и скорость протекания
коррозии зависит от скорости протекания самого медленного из
процессов.
Возможность перехода ионов металла в раствор электролита
зависит от их сил связи с электронами в междоузлиях кристал- лической металлической решетки. Чем сильнее связь между
электронами и атомами, тем труднее вызвать переход иона ме-
талла в электролит.
Наличие сопутствующих веществ в окружающей металличе-
скую конструкцию среде (активаторов и ингибиторов коррозии)
влияет на скорость разрушения конструкции. Так, например,
ионы хлора ускоряют коррозионный процесс стальных конст-
рукций, а соли щелочных металлов в нейтральных и щелочных
средах тормозят их разрушение.
Кислород является одновременно активатором и ингибито-
ром коррозии. С одной стороны он способствует образованию
защитной пленки на поверхности конструкции, с другой являет-
ся деполяризатором и ускоряет коррозию в только появившихся
местах разрушения.
Величина электродного потенциала характеризует стойкость
того или иного металла к коррозии. Для качественного измере-
ния коррозии за нулевое значение принят водородный потенци-
ал, который имеет электрод из платины, погруженный в раствор
серной кислоты и омываемый этим электролитом под давлением
1 атм.
Факторы, влияющие на скорость коррозионного процесса
Интенсивность коррозии зависит от следующих факторов
- характеристика металла, определяется значением водо-
родного потенциала металла;
- характеристика среды электролита, определяется водо-
родным показателем рН и наличием примесей, в том числе и
кислорода;
- скорость движения электролита;
- температура электролита.
Железо относится к группе металлов, окислы которых рас-
творимы в кислой и не растворимы в щелочной среде. Поэтому его коррозионная стойкость будет уменьшаться с понижением
рН и увеличиваться с повышением рН.
В случае если сочетаются два разных металла, быстрее раз-
рушается тот, который имеет более низкий электродный потен-
циал.
Поскольку коррозия большинства металлов протекает с ки-
слородной деполяризацией, поэтому с увеличением концентра-
ции кислорода скорость коррозии возрастает.
В случае увеличения температуры и скорости движения
электролита коррозионный процесс также ускоряется, т.к. уве-
личивается скорость движения молекул электролита и их диф-
фузия к поверхности металла, а также к поверхности конструк-
ции диффундирует большее число молекул-деполяризаторов
кислорода.
Постепенно на поверхности металлоконструкций образуется
трудно растворимая пленка оксидов и коррозионный процесс
замедляется. Дальнейшее увеличение скорости движения элек-
тролита приводит к механическому разрушению окисной плен-
ки и ускорению коррозии.