Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Коррозия и защита строительных материалов. Часть 1. Коррозия и защита металлических, каменных и бетонных материалов и конструкций. Учебное пособие
.pdf
2. КОРРОЗИЯ И ЗАЩИТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
КОНСТРУКЦИЙ
2.1. Характеристики и сущность коррозионных процессов
металлов
Коррозия металла – это разрушение металла вследствие физико-химического воздействия внешней среды, при котором металл
переходит в окисленное (ионное) состояние и теряет присущие ему
свойства.
Если окисление металла необходимо для осуществления какого-либо технологического процесса, термин «коррозия» не употребляется. Например, к коррозии не относится растворение анода
в гальванической ванне, поскольку анод должен окисляться, посылая свои ионы в раствор, чтобы протекал нужный процесс. Также не
говорят о коррозии алюминия при осуществлении алюмотермического
процесса, хотя физико-химическая сущность изменений, происходящих с металлом в подобных случаях, аналогична коррозии – металл
окисляется.
Классификация коррозионных сред
По степени воздействия на металлы различают следующие коррозионные среды:
неагрессивные;
•
слабоагрессивные;
•
•
среднеагрессивные;
•
сильноагрессивные.
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
11
внутри здания. Степень агрессивности среды по отношению к конструкциям, находящимся на открытом воздухе и не защищенным 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 (табл. 2).
Таблица 2
Агрессивность сред по отношению к металлическим строительным
конструкциям
Степень агрессивности среды в зависимости
Относительная влажность
помещений и характери-
стика климатической
зоны
60 % (сухая) Слабая Неагрессивная Неагрессивная
61–75 % (нормальная) Слабая Слабая Неагрессивная
> 75 % (влажная) Средняя Слабая Слабая
от условий эксплуатации строительной
конструкции
На откры-
том воз-
духе
Слабая Слабая Неагрессивная
Средняя Средняя Слабая
Сильная Средняя Средняя
Средняя Средняя Слабая
Средняя Средняя Средняя
Сильная Сильная Средняя
Средняя Средняя Средняя
Сильная Сильная Средняя
Сильная Сильная Средняя
Внутри зданий
в условиях перио-
дической конден-
сации влаги
Внутри зданий
без конденса-
ции влаги
Таким образом, защита металлических конструкций от корро-
зии зависит от агрессивности условий их эксплуатации.
Скорость коррозии металлов и металлических покрытий в атмосферных условиях определяется комплексным воздействием ряда
факторов: наличием на поверхности фазовых и адсорбционных пленок влаги, загрязненностью воздуха коррозионно-агрессивными веществами, изменением температуры воздуха и металла, образованием продуктов коррозии и т. д.
12
Оценка и расчет скорости коррозии должны основываться на
учете продолжительности и материального коррозионного эффекта
воздействия на металл наиболее агрессивных факторов. В зависимости от факторов, влияющих на скорость коррозионных процессов,
целесообразно выделить следующие условия эксплуатации металлов, подвергающихся атмосферной коррозии:
закрытые помещения с внутренними источниками тепла
1)
и влаги (отапливаемые);
закрытые помещения без внутренних источников тепла
2)
и влаги (неотапливаемые);
открытая атмосфера.
3)
Большинство металлов (за исключением золота, серебра, платины и меди) встречаются в природе в ионном состоянии (оксиды,
сульфиды, карбонаты и т. д.) и обычно называются рудами. Ионное
состояние металла более выгодно, так как характеризуется меньшей
внутренней энергией. Поглощенная энергия при восстановлении металла из соединений свидетельствует о том, что свободный металл
обладает более высокой энергией, чем металлическое соединение.
Поэтому металл, находящийся в контакте с коррозионно-активной
средой, стремится перейти в энергетически выгодное состояние
с меньшим запасом энергии.
Получение металлов из их природных соединений всегда сопровождается значительными энергетическими затратами. Исключение составляют только металлы, встречающиеся в природе в свободном виде: золото, серебро, платина, ртуть. Энергия, затраченная
на получение металлов, накапливается в них как свободная энергия
Гиббса ΔG и делает их химически активными веществами, переходящими в результате взаимодействия с окружающей средой в состояние положительно заряженных ионов:
n+
+ nē = Ме0 (ΔG > 0) Ме0 – nē = Меn+ (ΔG < 0)
Ме
Металлургия Коррозия металла
Таким образом, коррозия – это самопроизвольно протекающий
процесс разрушения металлов при взаимодействии с окружающей
средой, сопровождающийся выделением энергии и рассеиванием
вещества (ростом энтропии). В соответствии со II законом термодинамики коррозионные процессы в металлах необратимы. Перво-
13
причиной коррозии металлов является их термодинамическая неустойчивость в конкретной среде.
Расходы на защиту металлических конструкций уже в ходе их
возведения составляют около 1 % стоимости самого сооружения.
2.2. Механизмы коррозии металлов
Металлические строительные конструкции подвергаются двум
основным видам коррозии: химической и электрохимической.
Химическая коррозия происходит в газах и парáх при высокой
температуре и проявляется в окислении металла. Электрохимиче-
ская коррозия протекает в атмосферной и грунтовой влаге, морской,
речной и водопроводной воде, при производственных процессах
и в быту и является результатом возникновения гальванических пар.
Это самый распространенный вид коррозии, приводящий к наибольшим разрушениям.
Электрохимическая коррозия включает три взаимосвязанных
процесса:
анодный процесс: переход в раствор ионов металла, их гид-
1)
ратация с отрицательно заряженными ионами электролита и образование нейтральных молекул;
катодный процесс: электроны переходят с неупорядочен-
2)
ных орбит атомов, а положительно заряженные ионы (атомы) электролита, способные восстанавливаться, получают от катода необходимые электроны и разряжаются на нем, образуя нейтральные молекулы или ионы;
электролитный процесс: перемещение анионов и катионов
3)
электролита соответственно к катоду и аноду металла, объединение
их с выбывающими из металла ионами и электронами и образование
нейтральных молекул в электролите; этот процесс должен подпитываться внешними окислителями: если они не поступают, то процесс
коррозии тормозится, а если катодный процесс протекает беспрепятственно, то и разрушение на аноде не затухает.
Затухание катодного процесса, называемое поляризацией, заключается в обрастании катода пузырьками водорода и пленками
продуктов коррозии. Поляризация может возникнуть как в результате смещения заряда анода в положительную сторону (анодная по-
14
ляризация), так и в результате смещения заряда катода в отрицательную сторону (катодная поляризация). Она полезна для защиты металла от коррозии.
Приток к катоду кислорода вызывает реакцию с водородом, образование воды и освобождает поверхность катода для развития
гальванического процесса. Таким образом, там, где происходит приток кислорода к конструкции, коррозия не прекращается.
Под действием электрохимической коррозии разрушаются
только неоднородные металлы (т. е. химически не чистые, с разными
электродными потенциалами).
При погружении электродов любой пары металлов в электролит металл, стоящий левее в ряду потенциалов, приобретает отрицательный потенциал и становится анодом, а металл, стоящий правее, –
положительный потенциал и становится катодом.
Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента, состоящего из двух электродов, равна разности двух нормальных потенциалов. Например, ЭДС гальванической пары из меди и цинка
определяется так:
ЭДС = E
0
2+
Cu
/Cu
– E
0
2+
= 0,034 – (–0,76) = 1,1 В.
/Zn
Zn
Для защиты металлов от электрохимической коррозии необходимо прекратить (подавить) действие гальванических элементов,
что достигается наложением тока с более высоким потенциалом, который называется защитным.
Разновидностью электрохимической коррозии является поч-
венная коррозия – разрушение подземных металлических конструкций почвенной средой. Основной вид такой коррозии – это разрушение металла в почвенной среде, являющейся электролитом, однако
в почве может происходить также коррозия, вызванная блуждающими токами и воздействием сульфатных бактерий.
Согласно электрохимической теории коррозии металлические
сооружения рассматриваются как многоэлектродные гальванические элементы. Микро- и макрогальванические элементы
образуются на находящихся в грунте металлических конструкциях
из-за химической неоднородности металла, деформации его
отдельных участков, разнохарактерности внешних факторов.
15
Рассмотрим несколько типов электрохимической коррозии,
имеющих наиболее важное практическое значение.
1. Коррозия в электролитах – коррозия в природных водах
(морской и пресной) и различных жидких средах. В зависимости от
характера среды встречается:
кислотная;
•
•
щелочная;
•
солевая;
•
морская коррозия.
По условиям воздействия жидкой среды на металл различают:
•
коррозию при полном погружении;
•
при неполном погружении;
•
при переменном погружении.
Каждый из этих подтипов имеет свои характерные особенности.
2. Почвенная (грунтовая, подземная) коррозия – воздействие на
металл грунта, который в коррозионном отношении рассматривается как своеобразный электролит. Характерной особенностью подземной электрохимической коррозии является большое (в десятки тысяч раз) различие в скорости доставки кислорода (основного деполяризатора) к поверхности подземных конструкций в разных почвах.
Существенную роль в почвенной коррозии играют образование
и функционирование макрокоррозионных пар вследствие неравномерной аэрации отдельных участков конструкции, а также наличие
в земле блуждающих токов. В ряде случаев на скорость электрохимической коррозии в подземных условиях оказывает значительное
влияние развитие биологических процессов в почве.
3. Атмосферная коррозия – коррозия металлов в условиях атмосферы или любого влажного газа. Наблюдается на поверхности металла под конденсационными видимыми слоями влаги (мокрая ат-
мосферная коррозия) или под тончайшими невидимыми адсорбционными слоями (влажная атмосферная коррозия). Особенностью
атмосферной коррозии является сильная зависимость ее скорости
и механизма от толщины слоя влаги на поверхности металла и степени увлажнения образовавшихся продуктов коррозии.
4. Коррозия в условиях механического воздействия происходит
в многочисленных инженерных сооружениях, работающих в жидких
электролитах, на открытом воздухе или под землей. Наиболее типичные виды подобного разрушения:
16
• коррозионное растрескивание, характеризующееся образова-
нием трещин, которые могут распространяться не только межкристалльно, но и транскристалльно (щелочная хрупкость котлов, сезонное растрескивание латуней, растрескивание некоторых конструкционных высокопрочных сплавов и т. п.);
коррозионная усталость, вызываемая воздействием корро-
•
зионной среды и знакопеременных или пульсирующих механических напряжений; также характеризуется образованием меж-
и транскристалльных трещин (разрушение металлов при эксплуатации различных инженерных конструкций – валов гребных винтов,
рессор автомобилей, канатов, штанг глубинных насосов, охлаждаемых валков прокатных станов и т. п.);
коррозионная кавитация, обычно являющаяся следствием
•
энергичного механического воздействия коррозионной среды на поверхность металла, которое может приводить к весьма сильным
местным разрушениям металлических конструкций (например,
гребных винтов морских судов); механизм разрушения от коррозионной кавитации близок к разрушению от поверхностной коррозионной усталости;
коррозионная эрозия (коррозионное истирание, фреттинг-
•
коррозия), вызываемая механическим истирающим воздействием
другого твердого тела при наличии коррозионной среды либо непосредственным истирающим действием самой среды.
2.3. Влияние параметров среды на коррозию металлических
конструкций
Развитие электрохимической коррозии зависит от ряда факторов: характеристики металла, типа грунта (глина, песок, лесс и др.),
удельного сопротивления и т. д. В процессе эксплуатации сооружений невозможно влиять на характеристики использованного в их
конструкциях металла, поэтому основное внимание следует обращать на регулирование влажности, уменьшение воздействия воздухопроницаемости и другие факторы, которые можно сравнительно
легко изменить для повышения коррозионной стойкости сооружений. Необходимо учитывать, что коррозия – процесс необратимый,
т. е. возрастающий со временем.
17
2.3.1. Влияние свойств грунтов на коррозионную стойкость
металлов
Коррозионную активность грунтов определяют их пористость
и степень аэрации, т. е. проницаемость для влаги и воздуха (кислорода). В связи с этим грунты делятся на две группы:
грунты с большой аэрацией (лессы, пески), обладающие
1)
окислительными свойствами, в которых интенсивность коррозии изменяется во времени от больших значений до малых;
грунты со слабой аэрацией (глины), в которых интенсив-
2)
ность коррозии примерно пропорциональна времени; скорость коррозии металлических конструкций в глинах из-за сильного торможения катодного процесса в 5–7 раз меньше, чем в песках, причем коррозия протекает равномернее.
Интенсивность коррозии зависит от влажности грунта и концентрации в нем солей. Слабая коррозия при незначительной влажности почвы объясняется малой скоростью диффузии ионов
у анода (поляризацией). При избыточной влажности снижается концентрация почвенного раствора, прекращается доступ кислорода
к металлу и коррозия затухает.
Разные температуры грунта и сооружения на различных глубинах способствуют движению в грунте влаги: насыщенный парами
почвенный воздух перемещается в зоне аэрации из более нагретого
к менее нагретому слою, где влага конденсируется на поверхности
сооружения или конструкции. Различие температур отдельных частей сооружения благоприятствует возникновению термогальванических пар с катодными и анодными участками, а колебания влажности и поступление кислорода еще более усиливают коррозию металла. Замерзание влаги в грунте замедляет коррозию.
На электропроводность раствора влияют концентрация и количество солей, с ростом которых интенсивность коррозии возрастает.
Однако при этом следует учитывать роль и других факторов. Так, на
участках с повышенной засоленностью иногда имеет значение не состав солей, а их способность удерживать влагу, препятствующую концентрации кислорода воздуха, что замедляет коррозию.
Зависимость коррозии от водородного показателя рН связана
со стойкостью оксидных пленок на поверхности металла. По элек-
18
тропроводности грунта или по обратной ей величине (электросопротивлению) можно с достаточной достоверностью судить о коррозионной активности почвы. Эта оценка соединяет такие наиболее значимые в почвенной коррозии факторы, как влажность, наличие солей и величину рН. При низкой электропроводности грунтов
коррозия замедляется, а при разрыве электрической цепи совсем
прекращается, и наоборот, при высокой электропроводности почв
коррозия усиливается.
Определение коррозионной активности грунтов сводится
к изучению их электросопротивления приборами МС-07 и МС-08.
Такой метод достаточно оперативен, достоверен, экономичен и поэтому широко применяется на практике. Согласно СНиП 2.03.11–85
«Защита строительных конструкций от коррозии» все грунты по
коррозионной активности делятся на пять групп.
Оценка коррозионной опасности грунтовых вод начинается
с визуального обследования строительной площадки или трассы.
Это не дает количественных показателей, но позволяет составить общее представление о характере участка: особенностях грунтов
и грунтовых вод, их загрязненности, агрессивности и т. п.
Величина удельного электросопротивления грунта вычисляется по формуле
ρ = 2πdR,
где d – расстояние между электродами, м; R – показания прибора
МС-07 или МС-08, Ом.
Величина и знак потенциала сооружения относительно грунта
определяются контактным способом с помощью вольтметра. Абсолютное значение потенциала вычисляется по формуле
Е = ±Е
+ 0,32,
изм
где Е
– показания прибора, В; 0,32 – потенциал медно-сульфат-
изм
ного электрода, В.
Коррозионная стойкость металла в грунтах оценивается также
по специальной шкале в зависимости от глубинного показателя скорости коррозии. Для приближенной оценки коррозионной стойкости
металлических конструкций в конкретной среде пользуются груп-
19
пами стойкости, а для более точной оценки – баллами. В инструкциях по эксплуатации металлических конструкций и сооружений приводятся методы защиты, соответствующие каждому баллу.
2.3.2. Влияние атмосферных факторов на коррозионную
стойкость металлов
Атмосферная коррозия – это наиболее распространенный вид
коррозии металлов, поскольку примерно 80 % всех металлических
конструкций эксплуатируется в атмосферных условиях. Механизм
коррозии данного вида определяется влажностью среды – одним из
важнейших факторов коррозии металлов. Как правило, скорость
коррозии увеличивается с повышением влажности, однако эта зависимость имеет нелинейный характер и не всегда наблюдается.
В зависимости от увлажнения поверхности металлических конструкций различают три типа атмосферной коррозии:
1)
мокрая атмосферная коррозия протекает при наличии на
поверхности металлической конструкции постоянной пленки воды,
образующейся при прямом попадании влаги на металл (осадки, полив водой, эксплуатация при погружении в воду и т. д.);
2)
влажная атмосферная коррозия проходит при наличии на
поверхности металла тонкой адсорбционной пленки влаги;
3)
сухая атмосферная коррозия идет при отсутствии влаги на
поверхности металла.
В первых двух случаях механизм коррозии электрохимический,
в третьем случае это химическая газовая коррозия.
При мокрой атмосферной коррозии уменьшение толщины слоя
влаги на поверхности металла увеличивает скорость электрохимической реакции вследствие облегчения доступа кислорода
к металлу. При дальнейшем понижении толщины водного слоя на
поверхности металла образуется труднопроницаемая пленка
продуктов коррозии, что приводит к замедлению коррозионного
процесса (влажная атмосферная коррозия). В отсутствие влажной
пленки на поверхности металла (сухая атмосферная коррозия)
скорость коррозионного процесса еще больше снижается.
Весьма существенно для хода процессов атмосферной коррозии географическое расположение объектов: в условиях континентального климата коррозия металлов протекает медленнее, чем во
влажном климате приморских районов или во влажных субтропиках.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]