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.