Коррозия металлов

Коррозия — самопроизвольное разрушение твердых тел, вызванное химическими и электрохимическими процессами, развивающимися на их поверхности при взаимодействии с внешней средой. Особенно большой ущерб народному хозяйству наносит коррозия металлов и металлических конструкций. Средняя продолжительность жизни изделий из стали, многих цветных и черных металлов, составляет порядка 15 лет. Ежегодно в мире коррозии подвергается 1-1,5% всего металла, накопленного и эксплуатируемого в промышленности, транспорте, строительстве, а его безвозвратные потери от коррозии составляют около 20 % от годового производства. Даже такие тугоплавкие металлы, как Nb, V, W, Mo, Re, подвержены воздействию окружающей среды, которое вызывает активное окисление базовых металлов в сплавах. Нормальная эксплуатация оборудования, коммуникаций, конструкций, транспортных средств часто возможна лишь при достаточном замедлении коррозии металлов, достигаемом при помощи различных способов и специальных средств защиты.

Общие представления о коррозии

В традиционном понимании коррозия металлов представляет собой физико-химическое (чаще всего химическое или электрохимическое) взаимодействие металлического материала и внешней среды, приводящее к ухудшению эксплуатационных свойств материала, среды или технической системы, частями которой они являются. Коррозия вызывает не только ухудшение эксплуатационных свойств металлических материалов, но и окружающей их внешней среды. Механизм коррозии металлов определяется прежде всего типом коррозионной среды. Наиболее распространенным видом коррозии металлов является ржавление железа и его сплавов.

Виды коррозии

Коррозионное разрушение идет под действием химического, электрохимического и механического воздействия внешней среды.

• Химическая коррозия происходит в результате окислительного и восстановительного процессов, протекающих одновременно. Химическое взаимодействие металлов с внешней средой состоит в основном из окисления (с образованием окалин), диффузии ионов металла сквозь окисные пленки и встречного перемещения атомов кислорода к металлу. Химическая коррозия возможна в любой внешней среде, но наблюдается главным образом в воздухе, при высокой температуре, в жидких металлических расплавах. Химическая коррозия в газообразной среде при высокой температуре называется также газовой коррозией, от которой особенно большие убытки терпят металлургическая и некоторые другие отрасли промышленности.
• Электрохимическая коррозия является наиболее распространенным вид коррозии металлов и происходит при их взаимодействии с жидкими электролитами (растворами солей, кислот, щелочей т т.п.). Электрохимическая коррозия может протекать в атмосфере, если на поверхности металла конденсируется влага.

Большинство металлов имеет склонность к коррозии. Скорость, с которой протекает коррозия, зависит от характера образующихся продуктов коррозии и прочности их сцепления с металлом, не поддается теоретическому вычислению, и определяется опытным путем.

По характеру коррозионного разрушения различают сплошную коррозию, охватывающую всю поверхность металлического изделия, и местную коррозию, охватывающую лишь некоторые участки его поверхности. Сплошная коррозия бывает равномерная, неравномерная и избирательная – это зависит от того, с одинаковой или неодинаковой скоростью протекает она по всей поверхности, или избирательно, т. е. разрушается преимущественно одна структурная составляющая сплава. Местная коррозия бывает в виде пятен, точек, сквозная (точечная или язвенная коррозия листового материала), послойная, ножевая (вдоль сварных швов). Особой разновидностью является фреттинг-коррозия — коррозионно-механическое разрушение металлических конструкций в местах проскальзывания плотно пригнанных  деталей, при колебаниях с малой амплитудой, вращении, вибрации. При фреттинг-коррозии изделия теряют свои свойства вплоть до полного разрушения материала.

Атмосферная коррозия

Атмосферная коррозия — процесс разрушения металлов и их сплавов под действием приземного слоя атмосферы при температуре окружающей среды. Около 80% всех металлических конструкций эксплуатируется в атмосферных условиях, и по этой причине атмосферная коррозия является самым распространенным видом коррозионного разрушения металлов, протекающих по электрохимическому механизму. На ее долю приходится до 60% общих убытков от коррозии. Скорость атмосферной коррозии в различных природных районах неодинакова, что в существенной мере определяется типом атмосферы (влажностью, температурой, интенсивностью загрязнения).

В условиях окружающей среды для процессов атмосферной коррозии  характерно несколько основных видов взаимодействий:

• Сухая поверхность – газовые примеси; скорость процессов определяется кинетикой сорбции кислых газов и их последующим растворением с образованием кислот;
• Влажная поверхность – газовые примеси; скорость процесса лимитируется растворением газа в слое воды, образованием кислоты и скоростью ее взаимодействия с поверхностью металла;
• Сухая или влажная поверхность – мелкодисперсные частицы; особенности их действия связаны с осаждением твердых частиц кислотного характера на поверхности с последующим образованием кислот при взаимодействии с влагой;
• Прямое действие катионов Н, содержащихся в атмосферных осадках.

Выделяющиеся в промзонах газы, пары и дым вызывают разъедание поверхности металлов. Интенсивность коррозии напрямую зависит от степени загрязнения атмосферы пылью с сульфатами, хлоридом и диоксидом серы в составе.

Подводная коррозия

Подводная коррозия металлов принципиально отличается от других случаев разрушения металлических изделий и конструкций тем, что первостепенное значение здесь приобретает фактор времени, а поэтому процессы второстепенного характера из-за длительности их действия становятся основными, определяющими коррозию. Явление подводной коррозии специфично еще и потому, что в случае коррозии металлов не наблюдается заметного выделения водорода. Изменения металлических материалов при подводной коррозии первоначально являются результатом медленно протекающих химических реакций, среди которых процессы окисления и растворения играют решающую роль. При одновременном действии этих процессов, протекающих с разной интенсивностью и скоростью, в случае металлов дополнительно появляются электрохимические эффекты, которые ведут к частичному ускорению или замедлению коррозии. Микроорганизмы в процессе жизнедеятельности могут замедлять или интенсифицировать реакции окисления и процессы растворения металлов.

Подводная коррозия достаточно распространена и часто вызывает разрушения, приводящие к полной потере металлических конструкций. В зависимости от свойств воды различают следующие разновидности коррозии:

• В питьевой и хозяйственной воде; в горячей воде;
• В соленой воде (минеральные воды, морская вода, сточные воды и пр.);
• В талой воде.

Очень часто выделяют морскую коррозию, которая возникает под действием морской воды и является одним из наиболее распространенных видов подводной коррозии.

В морской воде коррозии подвержены оборудование и сооружения военно-морского, транспортного и промыслового флотов, портов и предприятий судостроения, береговых электростанций и опреснительных установок, морской добычи нефти, газа и полезных ископаемых. Условия морской коррозии различны в атмосфере выше зоны брызг и прибрежной полосы, в зоне брызг, зоне прилива, на малых глубинах, на глубинах континентального шельфа и в зонах ила. Морская коррозия по своему механизму является электрохимической коррозией. Морская вода представляет собой раствор многочисленных солей, содержащий также живые и разлагающиеся организмы.

Своеобразно коррозионное поведение стали и железа в условиях полного погружения металлических конструкций в морскую воду. Считается, что на больших глубинах скорость коррозии углеродистых сталей обычно ниже, чем в приповерхностных слоях воды. В условиях полного погружения конструкций в морскую воду развивается питтинговая коррозия, причем средняя глубина питтинга составляет от 0,46 до 3,75 мм, а средняя скорость коррозии, рассчитанная по потерям массы, оценивается в 56 мкм/год.