4.17. 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.