Атмосферная коррозия

Атмосферной коррозией называют коррозионное разрушение металлов под воздействием окружающей воздушной среды. Это наиболее распространенный вид коррозии, которому подвергаются в процессе эксплуатации машины, оборудование и сооружения при контакте с влажной и загрязненной атмосферой.

Атмосферная коррозия - коррозия металла в атмосфере воздуха (электрохимическая коррозия, протекающая в условиях любого влажного газа).

Основным фактором, определяющим механизм и скорость атмосферной коррозии, является влажность поверхности металлоконструкций. Образование пленки влаги зависит от относительной влажности воздуха, температуры поверхности металла, атмосферных осадков (при эксплуатации на открытом воздухе), наличия в атмосфере гигроскопических продуктов, состояния поверхности и пористости материала (рис.4.22.1).

1 2

Рис. 4.22. 1 - зависимость скорости атмосферной коррозии от толщины слоя влаги на поверхности металла: I – сухая, II – влажная, III - мокрая, IV – при полном погружении, 2 – влияние формы поверхности жидкости на давление насыщенных паров (а – вогнутый, б – плоский, в – выпуклый мениски.

По степени увлажненности различают атмосферную коррозию:

- мокрую – при наличии на поверхности видимой пленки влаги (относительная влажность воздуха ~100 %, непосредственное увлажнение поверхности дождем, туманои, сопровождающемся образованием видимых фазовых слоев воды;

- влажную – при относительной влажности воздуха 60-70%, когда становится возможной конденсация влаги, проявляющаяся в появлении на поверхности адсорбционной пленки воды;

- сухую – коррозия при полном отсутствии пленки влаги на поверхности металла; реализуется при относительной влажности воздуха мене 60 %, когда на поверхности отсутствуют следы влаги.

Поскольку в условиях эксплуатации возможно изменение внешних условий, вызывающих переход одного типа атмосферной коррозии в другой, деление достаточно условно. Вместе с тем, три типа состояний значительно отличаются по механизму коррозионного процесса.

При сухой коррозии реализуется химический механизм процесса: на поверхности металла формируются тонкие защитные оксидные пленки, тормозящие развитие коррозии. Рост пленок происходит в начальный момент контакта со средой, в последующем роста толщины пленки практически не происходит. Максимальная толщина пленок на железе – 3-4 нм, на нержавеющих сталях – 1-2 нм.

При влажной коррозии, с образованием адсорбированного слоя влаги на поверхности, реализуется электрохимический механизм. Скорость коррозии значительно возрастает. При небольшой толщине этого слоя (10 - 1000 нм) кислород проникает через него к поверхности металла, что обеспечивает протекание с высокой скоростью катодного процесса, который протекает с анодным контролем.

При образовании фазовых пленок в области мокрой коррозии затруднятся доступ кислорода к катодным участкам поверхности, что вызывает торможение катодного процесса (катодный контроль).

Причинами появления пленки влаги являются:

1) капиллярная конденсация влаги – обусловлена зависимостью давления насыщенных паров от формы поверхности и степени кривизны мениска жидкости, над которым устанавливается равновесное давление паров Р. Над выпуклым мениском Р больше, чем над вогнутым (рис. 4.22.2). При этом зависимость Р от радиуса кривизны вогнутого мениска r определяется уравнением Томсона:

, (4.92)

где Р₁ и Р₀ – давление насыщенного пара над вогнутым и плоским мениском соответственно; σ – поверхностное натяжение жидкости; v_m – объем моля жидкости; R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура; r – радиус кривизны вогнутого мениска.

С уменьшением r вогнутого мениска уменьшается давление насыщенных водяных паров над этим мениском.

Наличие щелей и зазоров на поверхности металлоконструкций, представляющих собой капилляры со смачивающимися стенками, вызывает конденсацию водяного пара, не насыщенного по отношению к плоскому мениску жидкости. В щелях и зазорах возможна капиллярная конденсация и застой влаги, усиливающих атмосферную коррозию и вызывающих образование коррозионных язв.

2) Адсорбционная конденсация влаги обусловлена адсорбционными силами на поверхности металла. В широких капиллярах преобладает капиллярная конденсация, в тонких – эффект действия адсорбционного поля.

3) Химическая конденсация влаги– развитие адсорбционной конденсации в виде химического взаимодействия продуктов коррозии с водой с образованием гидратированных соединений с пониженным давлением насыщенных паров воды.

Дальнейшую конденсацию влаги облегчают пленки растворов солей на поверхности металла, которая снижает давление насыщенного водяного пара.

Для защиты от атмосферной коррозии применяют органические, неорганические и металлические покрытия, эффективны методы, воздействующие на процессы, контролирующие влажную атмосферную коррозию:

а) торможение анодного процесса легированием стали легко пасивирующими металлами (хромом, алюминием, титаном, никелем) или эффективными катодными добавками, облегчающими пассивирование стали в атмосферных условиях;

б) снижением влажности воздуха (осушкой), способствующим уменьшению толщины слоя электролита на поверхности металла, затруднением конденсации влаги (повышением температуры помещений) и уменьшением загрязненности воздуха.

Применяют контактные, наносимые на поверхность стальных изделий ингибиторы (NaNO₂) и летучие (нитриты, карбонаты и др.) ингибиторы, которые используют для защиты металлопродукции на этапе хранения и транспортировке.

Морская коррозия

Коррозия в естественных нейтральных водных средах (морская, речная, озерная вода) преимущественно протекает по электрохимическому механизму.

Основными факторами, определяющими скорость коррозии металлов в морской воде, является концентрация растворенных солей, жесткость воды, температура, концентрация в ней кислорода и скорость потока.

Присутствие эффективных ионов-активаторов Cl^‾ определяет способность морской воды инициировать возникновение питтинговой коррозии металлических материалов в пассивном состоянии.

Значительное ускорение морской коррозии вызывает обрастание растительными и животными микроорганизмами подводной части - биокоррозия. Наиболее эффективным способом борьбы с биокоррозией как в пресных, так и морских водах является нанесение лакокрасочных покрытий со специальными биоцидными добавками.

Приливы, отливы вызывает усиленную коррозию по ватерлинии, что обусловлено облегченным доступом кислорода к поверхности металла. Испарение воды выше области смачивания вызывает увеличение концентрации солей в этой зоне.

Удаление окалины со стального листа химическим травлением, пескоструйной обработкой или пламенем устраняет причины усиленной морской коррозии.

Эффективным способом защиты сооружений и конструкций от морской коррозии является электрохимическая защита (протекторная или катодная) в комбинации с защитными покрытиями.

Биокоррозия

Биокоррозия - коррозия металла под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов. Обычно протекает совместно с атмосферной или подземной коррозией в водных растворах или неэлектролитах. Причины ускорения коррозионных процессов связаны с жизнедеятельностью бактерий: 1) на поверхности металла образуются различные концентрационные элементы; 2) в растворе и на поверхности металла образуются агрессивные химические соединения являющиеся продуктами жизнедеятельности организмов; 3) меняются электрохимические свойства среды, что связано с изменением концентрации кислорода или других окислителей в растворе.

Биокоррозию подразделяют на бактериальную и микологическую (грибную).

Бактериальная коррозия протекает в водных средах при температурах 6 - 40^оС и рН=1 - 10,5 в присутствии органических и неорганических веществ.

Микроорганизмы, использующие в качестве источника энергии неорганические вещества образуют группу литотрофных бактерий: 1)водородные, окисляющие водород с образованием воды; 2) нитрифицирующие, окисляющие аммиак до азотной кислоты; 3) тионовые, окисляющие сероводород до элементарной серы или элементарную серу до серной кислоты; 4) железобактерии, окисляющие закисное железо до окисного; 5) метанобразующие, стимулирующие природный синтез метана из углекислоты и водорода в анаэробных условиях (безкислородная среда); 6) сульфатвосстанавливающие, жизнедеятельность которых происходит за счет процесса восстановления сульфатов до сероводорода; 7) нитратвосстанавливающие, вызывающие восстановление окисленных форм азота по схеме: нитрат – нитрит – азот – аммиак.

Наиболее опасными являются тионобактерии и железобактерии. Первые окисляют серу до серной кислоты, локальная концентрация которой в приповерхностном слое раствора может достигать 10%. Вторые поглощают железо в ионном состоянии и выделяют его в виде нерастворимых соединений, неравномерно распределенных по поверхности металла, что повышает электрохимическую гетерогенность поверхности и ускоряет коррозионные процессы.

Основной вид коррозионно-активных анаэробных бактерий – сульфатвосстанавливающие. В процессе жизнедеятельности они восстанавливают сульфат-ионы в сульфит-ионы: .

Микологическая (грибная) коррозия – разрушение металлов и металлических покрытий при воздействии агрессивных сред, формирующихся в результате жизнедеятельности микроскопических (несовершенных, плесневых) грибов. Грибы непосредственно коррозию не вызывают, основная форма влияния плесневых грибов - косвенное воздействие через продукты метаболизма гриба. Причина повышения скорости коррозии в присутствии грибов – облегчение активирования защитных и пассивных пленок.

Защита металлов от биокоррозии в основном состоит в предотвращении, ограничении или уничтожении микроорганизмов, что достигается:

- повышением общей коррозионной стойкости металлов и покрытий;

- применением лакокрасочных покрытий и полимерных материалов, обладающих биоцидными свойствами, или включающих биоциды;

- нанесением на поверхность конструкций смесей, включающих гидрофобизирующие, ингибирующие вещества и биоциды;

- поддержанием определенных условий эксплуатации (относительная влажность воздуха <80 %, температура <20^оС, воздухообмен, очистка воздуха и поверхностей от механических загрязнений);

- вводом в водные среды эффективных добавок бактерицидов;

- применением катодной и протекторной защиты для подземных сооружений, гидросооружений и плавучих средств;

- применением средств консервации, содержащих ингибиторы коррозии, в том числе летучие.