Глава 7 Коррозия в естественных условиях

7.1 Атмосферная коррозия

Более 80% всех металлоконструкций, машин, приборов и другого, изготовленного из металлов, оборудования эксплуатируется в атмосфере. Поэтому атмосферная коррозия – наиболее распространенный вид коррозионного разрушения металлов.

Атмосферная коррозия – это коррозия, протекающая на поверхности металла, покрытого тонкой пленкой влаги. Поэтому для оценки опасности атмосферной коррозии важнейшее значение имеет учет степени и длительности увлажнения поверхности металла.

По данным А.И. Голубева продолжительность увлажнения (в часах) складывается из следующих показателей:

τ_общ=τ₁+τ₂+τ₃+τ₄+τ₅,

где

τ₁ – продолжительность выпадения дождя;

τ₂ – продолжительность тумана;

τ₃ – продолжительность высыхания поверхности после выпадения дождя или тумана;

τ₄ – продолжительность выпадения росы;

τ₅ – продолжительность оттепели.

Увлажнение поверхности металла приводит к образованию либо фазовых пленок влаги, либо адсорбционных. Образование фазовых пленок происходит при попадании на поверхность металла капельножидкой влаги (при дожде, обливании и др.) или при относительной влажности, близкой к 100%. Адсорбционная пленка возникает в результате конденсации влаги при относительной влажности порядка 60-70%. Относительная влажность, при которой начинается адсорбционная конденсация влаги на поверхности металла, называется критической влажностью. Она зависит от состояния металла и от степени загрязнения воздуха.

Критическая влажность зависит также от природы металла. Так, например, при одинаковых условиях критическая влажность для меди выше, чем для железа.

Атмосферная коррозия практически во всех случаях протекает с кислородной деполяризацией. Ее принято классифицировать по толщине образовавшейся на поверхности металла пленки. Такая классификация (по Розенфельду И.Л.) представлена на рисунке 7.1.

Рис. 7.1 – Классификация ат­мосферной коррозии

В области сухой коррозии (I) конденсации влаги на поверхности металла практически нет; коррозия протекает по химическому механизму. В области влажной коррозии (II) на поверхности металла уже есть электролит – это адсорбционная пленка; коррозия в этой области протекает с анодным торможением. Ввиду того, что пленка влаги имеет небольшую толщину. Кислород проникает через нее беспрепятственно и катодный процесс не затруднен. Анодный процесс осложняется тем, что продукты коррозии экранируют поверхность металла. Воды недостаточно для гидратации переходящих в коррозионную среду ионов. Так как пленка влаги очень тонкая, очень существенно омическое торможение.

В области мокрой коррозии (III) на поверхности металла присутствует уже фазовая пленка. В этом случае наблюдается катодное торможение, так как затрудняется доставка кислорода к поверхности металла. Область (IV) является областью полного погружения.

Железо и сталь в атмосферных условиях подвергаются общей равномерной коррозии, только в исключительных случаях, например, при незначительном содержании морских брызг, на стали могут образовываться отдельные коррозионные язвы. У легких металлов часто возникает местная коррозия, в том числе и межкристаллитная.

Особенности протекания атмосферной коррозии существенно зависят от конструктивных особенностей изделия. В частности, наличие узких зазоров и щелей, в которых возможна капиллярная конденсация и застой влаги, усугубляет атмосферную коррозию.

Известен уникальный случай стойкости железа в атмосферных условиях. Уже две с половиной тысячи лет в Дели практически не корродирует колонна, изготовленная из железа, содержащего, %:С – 0,08; Si – 0,05; S – 0,006; P – 0,114; Mn – следы. Стойкость колонны объясняется не только чистотой железа и не только тем, что в Дели очень сухой воздух. Основная причина стойкости делийской колонны заключается в том, что она запасает в течение дня такое большое количество тепла, что на ее поверхности не может конденсироваться влага. По этой же причине она очень быстро высыхает после дождя.

Для бывшего СССР на основании коррозионных исследований построены карты для коррозии Fe, Zn, Cd, Cu, Al. Для различных районов глубина коррозии железа колеблется от 9 до 43 мкм/год. Это относится к атмосфере сельской местности не загрязненной промышленными выбросами. По Украине этот показатель изменяется от 24 до 39 мкм/год в направлении с востока на запад. Максимум коррозионных потерь приходится на осенний период. Повышение температуры снижает коррозионные потери, т.к. пленка влаги быстро высыхает и вода не конденсируется на металле. При температуре ниже точки замерзания воды коррозия не происходит, это обусловлено тем, что лед практически не проводит электрический ток.

Близость моря ускоряет атмосферную коррозию, т.к. в атмосфере могут находиться мельчайшие капли морской воды и частички соли. Однако этот эффект ощущается на расстоянии от моря не превышающем 1,5-2 км.

Загрязнение атмосферы газами, частичками солей, особенно SO₂, NaCl резко ускоряет коррозию, что наблюдается в крупных промышленных центрах. Однако это ускорение несколько ниже, чем вызываемое климатическими факторами. Так, например, при увеличении увлажнения от 750 до 3250 часов коррозия возрастает в 5 раз, а переход от сельской атмосферы к городской вызывает увеличение коррозии только в 2 раза. Больше всего действует морская атмосфера, увеличивая коррозию в 3-8 раз.

Стойкость металлов к атмосферной коррозии зависит от их физико-химической природы и состояния их поверхности. Так, в городской атмосфере коррозия некоторых металлов составляет (Хадсон) мкм/год: Pb – 4, Al – 8, Sn – 12, Cu – 12, Ni – 32, Zn – 50, Fe – 200.

Увеличение шероховатости поверхности и наличие на ней частиц пыли или других инертных, загрязняющих атмосферу частиц облегчает конденсацию влаги и тем самым способствует ускорению коррозии.