Учебное пособие 800322

•среднеагрессивные;

•сильноагрессивные.

Для определения степени агрессивности среды при атмосферной коррозии стали необходимо учитывать условия эксплуатации металлических конструкций зданий и сооружений. Степень агрессивности среды по отношению к конструкциям внутри отапливаемых и неотапливаемых зданий, зданий без стен и постоянно аэрируемых зданий определяется возможностью конденсации влаги, а также температурно-влажностным режимом и концентрацией газов и пыли внутри здания. Степень агрессивности среды по отношению к конструкциям на открытом воздухе, незащищенным от непосредственного попадания атмосферных осадков, определяется климатической зоной и концентрацией газов и пыли в воздухе. С учетом влияния метеорологических факторов и агрессивности газов разработана I классификация степени агрессивности сред по отношению к строительным металлическим конструкциям.

Для определения степени агрессивности среды при атмосферной коррозии необходимо учитывать условия эксплуатации металлических конструкций зданий и сооружений. Степень агрессивности среды по отношению к конструкциям внутри отапливаемых и неотапливаемых зданий, зданий без стен и постоянно аэрируемых зданий определяется возможностью конденсации влаги, а также температурно-влажностным режимом и концентрацией газов и пыли внутри здания. Степень агрессивности среды по отношению к конструкциям на открытом воздухе, незащищенным от непосредственного попадания атмосферных осадков, определяется климатической зоной и концентрацией газов и пыли в воздухе. С учетом влияния метеорологических факторов и агрессивности газов разработана классификация степени агрессивности сред по отношению к строительным металлическим конструкциям. С учетом влияния метеорологических факторов и агрессивности газов разработана классификация степени агрессивности сред по отношению к строительным металлическим конструкциям, которые представлены в табл. 2.1.

Таким образом, защита металлических конструкций от атмосферной коррозии определяется агрессивностью условий их эксплуатации. Наиболее надежными защитными системами металлических конструкций являются алюминиевые и цинковые покрытия.

Прогнозирование развития коррозии в атмосферных условиях ведётся исходя из продолжительности воздействия влаги на металл за год в часах, удельной интенсивности коррозии за 100 ч и коэффициента торможения коррозии её продуктами. Аналогично может быть оценена интенсивность коррозии и в помещениях при высокой влажности воздуха.

Коррозия может проявляться самым различным образом, причем не только в зависимости от характера среды, но и в соответствии со свойствами металлов и условиями эксплуатации конструкций. Различают следующие виды коррозии: равномерная и неравномерная.

20

Методы защиты от коррозии в атмосферных условиях осуществляются:

•снижением агрессивности среды;

•изоляцией металла от агрессивной среды.

Таблица 2.1 Степени агрессивности среды при атмосферной коррозии

Снижение агрессивного воздействия среды эффективно при условии, что среда замкнута и изолирована. Метод заключается в удалении агрессивных компонентов из воздуха помещений путём вентиляции или удалении из воды в теплоэнергетических установках кислорода как агрессивного фактора путём её аэрации и прекращения подпитки деаэрированной водой.

Изоляция металла от среды весьма распространена не только в атмосферных условиях, но и заглублённых сооружениях. Важно, чтобы при её осуществлении слой изоляции был толстым и прочным, кислотощелочестойким. Однако выполнение такой изоляции дорого и сложно, поэтому всё чаще используется полимерные и неорганические покрытия. Самые распространённые из них лакокрасочные; более 80 % металлических конструкций защищается именно такими покрытиями. Лаки и краски, хотя частично и проницаемы для воздуха и жидкостей, но широко применяются, потому что их легко наносить и они придают конструкциям красивый вид.

В последнее время стали создавать в заводских условиях при изготовлении металлических конструкций металлическую подоснову под окрасочный состав из алюминия, цинка, наносимых газопламенным способом; это увеличивает длительность службы покрытия и металла в 2 раза.

21

Широкое распространение получили также грунтовки на основе фенольных смол, фосфатирующие и эпоксидные грунтовки. Антикоррозийные свойства грунтовок усиливаются введением в них таких пассивирующих пигментов, как свинцовый сурик, цинковая пыль.

Для нанесения любого защитного покрытия металл зачищается до блеска и не позднее чем через 4 часа на него наносится грунтовка, потом шпатлёвка, затем краска, эмаль и сверху лак. Распространён способ защиты металлических конструкций без удаления продуктов коррозии, так как стоимость очистки и подготовки поверхности составляет около 40 % стоимости защитных мероприятий.

Из условий пожарной безопасности требуется защита стальных конструкций специальной штукатуркой по сеткам с применением асбестоцементной или вермикулитовой защиты, гипсовой штукатурки или облицовки из керамической плитки. В зависимости от класса огнестойкости назначается толщина защитного слоя.

2.2. Грунтовая коррозия

Факторы, влияющие на коррозию. Разновидностью электрохимической коррозии является грунтовая (почвенная) коррозия, т.е. разрушение подземных металлоконструкций почвенной средой. Основной вид такой коррозии - разрушение металла в почвенной среде-электролите. Кроме того, в почве может происходить коррозия, вызванная блуждающими токами и воздействием бактерий и т.д.

Эксплуатация многих металлических конструкций связана с их размещением под землей в почве и грунтах. В этих условиях при наличии химических реагентов, влаги и способности среды к ионной электропроводности, протекают, как правило, процессы электрохимической коррозии.

Особенностью подземной коррозии является проявление ее в виде язв, каверн, а часто в виде сквозного проржавления. Поэтому практически опасность подземной коррозии состоит не в коррозионных потерях металла, а в возможности аварий конструкций вследствие локального характера разрушения. Грунтовые условия, в которых эксплуатируются металлические сооружения, весьма неодинаковы, поэтому скорость коррозии металлов в грунте зависит от состава грунта, его влажности и воздухопроницаемости, аэрации, а также некоторых других характеристик (электропроводности, рН грунта, температуры и т. д.). Особенно существенно влияет на скорость подземной коррозии влажность грунта.

Влияние характера грунтов на коррозию. Коррозионную активность грунтов определяет пористость и степень аэрации, т. е. проницаемость влаги и воздуха (кислорода) через почву. В почвах, обладающих окислительными свойствами, т.е. большой аэрацией, весовые потери и глубина коррозии быстро уменьшаются во времени, достигая малых величин после относительно

22

небольшого периода эксплуатации конструкций. Высокая аэрация грунтов обычно имеет место до горизонта грунтовых вод.

Типичной считается почвенная коррозия при участии кислорода воздуха. Участок, подвергающийся интенсивному воздействию кислорода, покрывается слоем окислов и становится катодом. Разрушение происходит там, где затруднен доступ кислорода. Больше всего подвержены коррозии участки, где концентрируются напряжения.

Коррозия под землей может протекать и без доступа кислорода воздуха в анаэробных условиях под действием некоторых видов бактерий, главным образом сульфатвосстанавливающих. Это так называемая микробиологическая коррозия стальных и чугунных элементов, заложенных в тяжелых глинистых грунтах, на болотах, в стоячих водах, где вследствие непроницаемости создаются анаэробные условия. Микроорганизмы способствуют активизации электрохимической коррозии, поглощая водород на катоде.

Влияние аэрации на коррозию проявляется как на аноде, так и на катоде местного коррозионного элемента. В слабо аэрируемых почвах кислород расходуется на деполяризацию катодных участков. Если бы грунты вокруг сооружений были однородны по составу, влажности, аэрации и другим показателям, то на отдельных участках сооружений не возникла бы разность электродных потенциалов. В действительности же грунты неоднородны, также неоднороден и металл конструкции, а поэтому между отдельными участками поверхности металлических подземных сооружений образуется разность электродных потенциалов. Неоднородность и является одной из главных причин коррозии металлов, так как делит их в конструкциях и изделиях на анодные и катодные участки. Следует подчеркнуть, что скорость коррозии стальных подземных конструкций зависит от состава металла, а также от характера грунтовой среды.

В песках воздухообмен лучше, чем в глинах. К верхним частям конструкций доступ воздуха больше, чем к заглубленным. Часть поверхности конструкции, получающая больше кислорода, становится катодом, а менее доступная кислороду - анодом, и разрушается. Именно образованием макропор по длине и глубине сооружения объясняется значительная коррозия нижней части заглубленных трубопроводов, в местах перехода их из глины в песок, под холмами и т. п. При этом анодные участки и разрушения возникают там, где меньше доступ кислорода.

Почвенная коррозия представляет в общем случае результат макро- и микрокоррозионных процессов: микропоры обусловливают равномерную коррозию и тем большую, чем больше аэрация; макрокоррозионные поры имеют явно выраженный местный характер и на участках с меньшей аэрацией.

Влияние влаги и температуры грунтов на коррозию. Процесс коррозии подземных металлических конструкций начинается только при наличии в грунте влаги. Любые грунты даже в пустынных районах содержат некоторое количество влаги, достаточное для возникновения коррозии.

23

Коррозия металла в грунте при разной его влажности протекает поразному. Слабая коррозия при малой влажности почвы объясняется малой скоростью диффузии ионов у анода - поляризацией. Увеличение влажности обеспечивает повышение скорости движения ионов и приводит к прекращению поляризация анода, т. е. развитию коррозии. Однако при избыточном содержании влаги в почве прекращается доступ кислорода к металлу, и коррозия затухает. Как видно из графиков на рис. 2.2, наиболее интенсивная коррозия происходит при сравнительно небольшой весовой влажности, примерно, от 10 до 20 %, причем эти границы для разных грунтов различны.

Рис. 2.2. Интенсивность коррозии в различных грунтах в зависимости от: А - влажности; б - концентрации солей в электролите

Влияние кислотности и щелочности грунтов на коррозию. Коррозия в зависимости от водородного показателя (рН) грунтов (рис. 2.3) рассматривается, прежде всего, в связи со стойкостью окисных пленок на поверхности металла при воздействии на него окружающей среды. В этом отношении все металлы делятся на три группы, (рис. 2.4).

Электропроводность грунтов и коррозия. По электропроводности или по обратной величине - электрическому сопротивлению грунта ρ можно с достаточной достоверностью судить о его коррозионной активности. При этом соединяется воедино ряд таких важнейших в почвенной коррозии факторов, как влажность, наличие солей, величина водородного показателя рН. Электропроводность грунта является важным показателем почвенной коррозии: при низкой электропроводности коррозия замедляется, а при разрыве

24

электрической цепи совсем прекращается, и, наоборот, при высокой электропроводности грунтов коррозия усиливается. В этой связи в СНиП все грунты по коррозионной активности разделены на пять групп (табл. 2.2).

Рис. 2.3. Характеристика (рН) грунтовых вод и интенсивность коррозии металлов

Рис. 2.4. Типичные зависимости интенсивности коррозии отдельных групп металлов от рН:

а– благородных металлов; б – алюминия, цинка и др.;

в– железа, никеля, кадмия и др.

Таблица 2.2 Классификации грунтов по коррозионной активности для сталей

25

Оценка коррозионной опасности грунтовых вод начинается с визуального обследования строительной площадки или трассы; это не даёт количественных показателей, но позволяет составить представление о характере площадки или трассы, особенностей грунтов и грунтовых вод, их загрязнённости, агрессивности. Величина и знак потенциала сооружения относительно грунта определяется контактным способом с помощью вольтметра.

Коррозионная стойкость металлов в грунтах оценивается также по специальной шкале в зависимости от глубинного показателя скорости коррозии. Для приближенной оценки коррозийной стойкости металлических конструкций в данной среде пользуются группами стойкости, а для более точной – баллами. В инструкциях по эксплуатации сооружений приведены методы защиты соответственно каждому баллу.

Методы защиты конструкции от почвенной коррозии делятся на три группы.

Кпервой группе относится: снижение агрессивного действия среды, отвод от сооружений (осушение местности), обработка почвы с целью нейтрализации агрессивности, обратная засыпка материалами.

Ко второй группе относятся: изоляция конструкций от агрессивной среды, покрытие битумными и лакокрасочными составами, металлизация, покрытие из рулонных материалов, облицовка бетоном и другими материалами.

Ктретьей группе относится: подавление и отвод коррозийных токов, дренаж блуждающих токов, протекторная защита, катодная защита. Все методы подразделяются на ряд способов, связанных с использованием специальных материалов для защиты от воздействия внутренних факторов. Применение специальных коррозионностойких материалов для конструкций подземных сооружений ещё не получило достаточного развития. Для защиты металлических конструкций от почвенной коррозии чаще всего служат покрытия на основе битумов и электрохимический метод.

Протекторная защита. При этом способе подземные конструкции защищаются электродами – протекторами, обладающими отрицательными потенциалами и выполняющими в паре с защитным сооружением роль анода. Методика расчёта протекторной защиты гидроизоляции заглубленных сооружений и других подобных конструкций состоит в определении защитного потенциала и плотности тока.

Протекторы обычно изготавливаются из магниевого сплава и создают разность потенциалов до 1в. Они могут быть также цинковыми и алюминиевыми. Протекторы изготавливаются цилиндрическими или пластинчатыми. Их соединяют с сооружением изолированным проводом через стальной сердечник, вставленный в протектор.

Число протекторов зависит от размера защищаемой поверхности. Протекторы набираются из типовых элементов. Для надёжного их контакта с грун-

26

том и устойчивой работы они размещаются в наполнителе (гипс, глина, сернокислый натрий или магний). Срок службы протектора составляет 10...15 лет.

Катодная защита осуществляется с помощью постоянного тока, подаваемого через погруженный в грунт электрод. При этом отрицательный электрод постоянного тока присоединяется к защитному сооружению – катоду, а положительный к аноду. Сооружение поляризуется отрицательно, потенциал его становится отрицательнее потенциала коррозийных анодных пар, и коррозия прекращается. При такой защите разрушается дополнительный электрод, с которого ток стекает в грунт. При этом коррозия не прекращается, а лишь переносится на дополнительный элемент, который с течением времени может быть заменён. Защищаемое сооружение не разрушается, так как является катодом.

Сравнение затрат на устройство и эксплуатацию протекторной и активной защит в расчёте на 10 лет показывает, что они примерно одинаковы.

Все указанные методы в той или иной степени изучались различными исследователями. Наиболее эффективным методом оказалась защита изолирующими неметаллическими покрытиями.

2.3. Морская коррозия

Морская коррозия – одна из разновидностей коррозии металлов в естественных коррозионных средах. 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 морской атмосфере выше зоны брызг и прибрежной полосы, в зоне брызг, зоне прилива, на малых глубинах (вблизи металлической поверхности и около берега), на глубинах континентального шельфа, на больших глубинах и в зонах ила.

Морская коррозия по своему механизму является электрохимической коррозией. Морская вода представляет собой раствор многочисленных солей, содержащий также живые и разлагающиеся биологические организмы, взвешенный ил и растворенные газы. Агрессивность морской воды обусловлена содержанием кислорода и наличием в ней хлоридов металлов, препятствующих образованию достаточно эффективных защитных пленок. Коррозионные процессы в такой среде сложнее, чем в искусственных растворах солей.

Характер и скорость морской коррозии определяются совокупностью химических факторов (общая соленость, рН, концентрация растворенных газов, прежде всего, О2, H2S, SO2 и СО2, концентрации хлоридов, карбонатов, сульфатов). Из физических факторов наибольшее влияние оказывают температура и давление, скорость движения воды или воздуха, наличие в воде ила, твердых частиц, пузырьков воздуха. К биологическим факторам относят обрастание поверхности металлических конструкций бактериями, раститель-

27

ными или животными организмами, с чем может быть связано изменение у поверхности рН, концентраций О2, H2S, СО2.

Коррозионные потери сплавов системы железо - медь в морской воде оцениваются величиной скорости 1...3 г/м2·сутки. Влияние температуры, концентрации воды и географического района и многих других факторов на скорость морской коррозии изучено достаточно подробно, а результаты исследований приводятся во многих работах.

В морских условиях реализуются все известные типы коррозии. При неправильном сочетании материалов в конструкциях развивается контактная коррозия. Часты случаи щелевой коррозии в зазорах, под прокладками, шайбами, отложениями и т. п. Высокая концентрация хлорид-ионов обусловливает питтинговую и язвенную коррозию нержавеющих сталей и алюминиевых сплавов. При повышении температуры выше 80 °С многие нержавеющие стали подвергаются коррозионному растрескиванию. Действие морской воды приводит к снижению коррозионно-механической прочности конструкционных сталей, особенно при наличии H2S. При повышении предела текучести сталей свыше 1200 Н/мм2 они чувствительны к коррозионному растрескиванию. Так же возможна гальваническая коррозия. Гальваническая коррозия - процесс, который происходит, когда определенные металлы соединены и у них имеется контакт с водой. Тогда поток электронов между этими двумя металлами, заставляет наиболее химически активный металл разлагаться. Это разложение известно как гальваническая коррозия. Для возникновения коррозии необходимы четыре условия: два разнородных металла, связь между этими двумя металлами, электролит – вода.

Глава 3. КЛАССИФИКАЦИЯ КОРРОЗИИ ПО ПРОЯВЛЕНИЮ

3.1. Сплошная или общая коррозия

Сплошная коррозия охватывает всю поверхность металла и делится на равномерную, неравномерную и избирательную.

Равномерная коррозия протекает примерно с одинаковой скоростью по всей поверхности металла. Равномерная коррозия при визуальном наблюдении представляет собой сплошное равномерное разрушение всей поверхности металла. Она наиболее характерна для многих технически важных металлов, но является наименее опасной.

Неравномерная коррозия протекает с неодинаковой скоростью на различных участках поверхности металла (например, коррозия в морской воде) подразделяется на несколько видов:

• коррозия пятнами (рис. 3.1, а)-микроскопическая, может быть установлена визуально. Отдельные пятна переходят в коррозионные язвы - глубокие раковины или впадины в металле. Во впадинах могут находиться твердые продукты коррозии, которые обладают защитными свойствами: напри-

28

мер, на углеродистых сталях - это ржавчина. Большинство стальных устройств, защищенных лакокрасочными покрытиями, подвержено коррозии пятнами;

• точечная коррозия (рис. 3.1, б) характеризует наличие большего или меньшего числа отдельных коррозионных точек. В процессе данного коррозионного разрушения существенно увеличивается его глубина. Эта коррозия типична для коррозионно-стойких сталей, алюминия и его сплавов и т. д.;

Рис. 3.1. Виды коррозии: а – язвенная; б – точечная; в – послойная

•послойную коррозию (рис. 3.1, в) можно обнаружить в металлах, подвергнутых пластической деформации. При неправильном способе прокатки окислы запрессовываются в поверхность металла, и, поскольку обычно они более устойчивы к коррозионному поражению, металл растворяется послойно в направлении предыдущей прокатки. К этому виду коррозии склонен листовой материал из алюминиевых сплавов.

Неравномерная микроскопическая коррозия возможна на границе жидкости и металла при различной агрессивности жидкости и ее паров или в почвах, подземном металлическом оборудовании, особенно при неравномерной структуре почв. Неравномерная микроскопическая структурная коррозия

вначальных стадиях может быть установлена в результате металлографических исследований. Она классифицируется следующим образом:

•межкристаллитная коррозия (рис. 3.2, а) типична для коррозионностойких сталей, проходит между кристаллами и поражает границы зерен. Склонность к коррозии появляется при неправильной термической обработке сталей, которые теряют прочность и вязкость. В первую очередь этот вид коррозии проявляется в виде растрескивания поверхности, а затем и полного распада. С точки зрения разрушения наиболее опасным местом сварных конструкций из аустенитных сталей является зона основного материала, прилегающая к металлу сварного шва. Так называемая ножевая коррозия напоминает по форме надрез ножом в узкой зоне на границе металла шва и основно-

29