CC BY
57Причины атмосферной коррозии металлоконструкций и методы защиты
Соколова Юлия Андреевна,
д.т.н., проф., акад. РААСН
В статье рассматривается один самых распространенных видов коррозии -атмосферная и методы борьбы с ней. В процессе эксплуатации металлических конструкций неизбежно увлажнение и загрязнение их поверхности, что является первопричиной возникновения и развития атмосферной коррозии. Образование пленочной влаги на металлоконструкции зависит от следующих факторов: относительной влажности воздуха, температуры поверхности металла, атмосферных осадков, наличия в атмосфере гигроскопичных продуктов, состояния поверхности и пористости материала (металл, бетон, конверсионное покрытие). Ключевые слова: атмосферная коррозия, влага, методы защиты, металлические конструкции, влажность воздуха
Атмосферная коррозия (АК) - наиболее распространенный вид коррозии. В процессе эксплуатации металлических конструкций неизбежно увлажнение и загрязнение их поверхности, что является первопричиной возникновения и развития АК. Образование пленочной влаги на металлоконструкции зависит от следующих факторов: относительной влажности воздуха, температуры поверхности металла, атмосферных осадков, наличия в атмосфере гигроскопичных продуктов, состояния поверхности и пористости материала (металл, бетон, конверсионное покрытие). В воздухе содержится водяной пар, количество которого определяет величину абсолютной влажности. Влажностное состояние воздуха оценивается такими параметрами, как давление водяного пара РНго и относительная влажность W. Величина РН20 может изменяться от 0 до максимального парциального давления РтахН20, соответствующего полному насыщению воздуха.
Абсолютная влажность увеличивается с повышением температуры. Каждому значению температуры при одинаковом атмосферном давлении соответствует определенное максимальное парциальное давление РтахН20. Эту температуру называют точкой росы Тросы.
Относительная влажность W характеризует степень насыщения воздуха водяным паром, то есть
W = РН20 / Рта Н20,
где РН20 - парциальное давление водяного пара, Па;
РтахН20 - максимальное парциальное давление паров Н2О, Па.
Чем выше влажность, тем слабее энергия связи влаги с воздухом. Когда РН20 приближается к РтахН20, образуются многочисленные микрокапли, которые постепенно укрупняются и осаждаются на поверхности конструкций в виде конденсата. Причиной его образования может быть быстрое охлаждение воздуха или перепад температуры. Другой причиной конденсирования воды является содержание в воздухе гигроскопической пыли или аэрозолей, снижающих РтахН20. При любой влажности часть воды из воздуха переходит на поверхность конструкции за счет сорбции. В сухом воздухе адсорбционный слой влаги соизмерим с толщиной молекулярного слоя воды. По мере повышения относи-
О
55 >
£
55 П П 1
9
8
и
у
а
тельной влажности толщина слоя влаги на поверхности увеличивается и может достигать 1 мкм и более.
Атмосферную коррозию, протекающую под молекулярным слоем влаги (до 10 нм), называют сухой атмосферой коррозией. Сухая коррозия характеризуется поверхностным окислением металла по химическому механизму взаимодействия какого-либо реагента в газообразном виде. Например, О2 воздуха и Н2Б, как примесь в воздухе, взаимодействуют с поверхностью металла (потускнение никелевых, цинковых, оловянных покрытий, латунных изделий, почернение медных и серебряных покрытий). Дальнейшее увеличение влажности способствует увеличению толщины пленки воды. Адсорбционные процессы от моно- и полимолекулярных взаимодействий переходят к капиллярной конденсации; вода проявляет свойства электролита, что имеет решающее значение для процессов коррозии. В таких условиях начинается влажная коррозия. Оптимальный размер пор для капиллярной конденсации 10...1000 нм. Ее могут стимулировать также шероховатость поверхности и загрязнения в виде твердых частиц. Интенсивная капиллярная конденсация, как и развитие коррозионных процессов, происходит при относительной влажности более 70.75%. Эти значения влажности считают критическими Wкp. Для различных металлов значения Wкp находится в пределах между 50.70%. Атмосферная коррозия при значениях влажности выше Wкp. протекает по электрохимическому механизму. При W>90% скорость коррозии сталей подчиняется закону:
Я
а -.
к ш-Ш
*
а о
Iй
где ЯЯк - скорость коррозии при данной влажности W; Я0 - скорость коррозии при W =
100%; W0 - влажность, соответствующая насыщению; I - толщина пленки влаги.
Активность воды в области значений относительной влажности между Wкp и 100% возрастает примерно на порядок, поэтому скорость коррозии Яск при сверхкритической влажности Wск характеризуется уравнением
Як - ЯШ!
где Wck = ^ - Wkp) (100 - Wkp).
Влажная атмосферная коррозия протекает по механизму электрохимической коррозии при полном погружении металла в электролит и связана с функционированием локальных микроэлементов.
Имеющиеся в воздухе загрязняющиеся вещества как органического, так и неорганического
происхождения повышают коррозионную активность атмосферной влаги. Агрессивные газы Б02, Н2Б, Ы02, БОз и другие оказывают существенное влияние на химический состав атмосферных осадков, так как эффект их поглощения и растворения весьма высок. Один литр дождя при падении с высоты 1 км омывает более 500 м3 воздуха. Снег также адсорбирует большинство газов и твердых продуктов, сбрасываемых в атмосферу предприятиями.
Коррозионное воздействие на металлоконструкцию оказывают не только влага и газы, но и аэрозоли солей и частицы твердых веществ. Источниками аэрозолей солей являются разрушающиеся горные породы, солончаковые почвы, приморские зоны, имеющие повышенное содержание хлоридно-сульфатных натриевых солей. К агрессивным относят воздушные массы сухих степей и полупустынь, несущие карбонат-но-сульфатные, хлоридные и силикатные натриевые соли. Твердые частицы, попавшие на поверхность металлоконструкций, являются «ядрами» конденсации, стимулирующими на поверхности образование капиллярной влаги. Наибольшую коррозионную опасность представляют частицы, обладающие высокой гигроскопичностью, при растворении которых образуются агрессивные жидкие среды (например ЫаО!). Для прогнозирования коррозионной стойкости металлов необходимо учитывать химический состав воздуха в приземных слоях атмосферы, а также эксплуатационные особенности сооружений, размещаемых в различных районах страны. Характерная особенность атмосферной коррозии - ее зависимость от сезонных колебаний метеорологических параметров. Интенсификация процесса наблюдается в весенне-летний и летне-осенний периоды, что совпадает с повышенными значениями W и количества атмосферных осадков. В средней полосе России наибольшее увлажнение фазовыми пленками воды происходит при температуре 0...5°С. Если для металла продолжительность смачивания фазовыми пленками воды является основным фактором развития коррозии, то для капиллярно-пористых материалов - циклическое замораживание и оттаивание. Температурный фактор оказывает неоднозначное влияние на процессы коррозии. Время увлажнения поверхности и содержание загрязнений в пленках воды зависит от сезонных температур. Область температур естественной атмосферы можно ограничить диапазоном от -50 до +50оС.
В области положительных температур при сохранении пленок влаги на поверхности металлоконструкций наблюдается увеличение скорости коррозии с повышением температуры. Однако в условиях естественной атмосферы при повышении температуры процесс испаре-
ния Н20 становится более интенсивным и поверхность высыхает. При отрицательных температурах коррозионные процессы замедляются. Квазижидкие пленки воды толщиной несколько нанометров сохраняются на поверхности металлов при низких температурах воздуха от -10 до -20оС. Сохранение высокой подвижности молекул воды в адсорбционном состоянии способствует протеканию коррозионных процессов с достаточно высокой скоростью в области отрицательных температур. Механические загрязнения и особенно мицелии грибов способствуют сохранению водных пленок на поверхности металлоконструкций в широком диапазоне температур.
Для определения скорости атмосферной коррозии кроме данных по влажности, температуре, загрязненности окружающего воздуха, необходимы знания о продолжительности, степени увлажнения и характере загрязнения поверхности металла. Водородный показатель рН водных пленок, воздухообмен и общая продолжительность эксплуатации металлоконструкций являются решающими факторами при развитии атмосферной коррозии. При рассмотрении системы «металл - среда» с позиции плохо организованной системы, где многие явления не детерминированы, а причинность связей недостаточно изучена, процесс атмосферной коррозии можно описать математическими моделями.
Для построения модели атмосферной коррозии вводятся следующие понятия:
1) Коррозионный эффект (КЭ), характеризующий коррозионные потери, является функцией продолжительности увлажнения 1 металла адсорбционными или фазовыми (за счет прямого попадания воды) пленками, а также функцией концентрации С агрессивного компонента в атмосфере и в пленке влаги на поверхности. Увлажнение поверхности зависит от влажности воздуха, температуры, солнечной радиации, воздухообмена и других факторов. Для определения скорости атмосферой коррозии предложена общая модель процесса:
КЭ = да 1а + Зф 1ф
где За и Зф - скорость коррозии металла под адсорбционной и фазовой пленками воды, соответственно; 1а и 1ф - продолжительность увлажнения поверхности адсорбционной и фазовой пленками воды.
Разделение водных пленок на адсорбционную и фазовую основано на различии их физико-химических свойств. Поверхностная и объемная электропроводность воды в адсорбированном состоянии ниже, чем в объемной фазе. Установлено, что при температурах до -20оС на поверхности твердых тел, в том числе и металлов, существует квазижидкая пленка воды. Растворение газов в адсорбционной пленке воды
становится заметным только с определенных толщин. Например, диоксид серы Б02 начинает растворяться только при наличии 5...8 молекулярных слоев воды. Толщины адсорбционных слоев влаги зависят не только от относительной влажности, но и от температуры воздуха и имеет максимум в температурной области, близкой к нулю (0оС). Область перехода адсорбционных пленок воды к фазовым характеризуется толщинами 10.100 нм. Если предположить, что скорость коррозии металлов под адсорбированными пленками описывается линейной функцией от концентрации загрязнения в атмосфере, то выражение для КЭ принимает вид: КЭ = да 1а + а СТа + Зф 1ф где а - коэффициент, характеризующий влияние загрязнения, например, Б02 или аэрозоля хлорида, на коррозию; С - концентрация загрязнения атмосферы; 1ф - суммарная продолжительность увлажнения поверхности жидко-фазными и смешанными осадками в виде дождя, снега и росы; 1а - суммарная продолжительность нахождения поверхности конструкции во влажном воздухе с W>80% (за вычетом 1ф); За и Зф - скорость коррозии металла под адсорбционной и фазовой пленками воды. Коэффициент а показывает, во сколько раз возрастает скорость коррозии металла при введении в условно чистую атмосферу 1 мг/м3 БО2 или при осаждении на поверхность металла 1 мг/м2 хлоридов в сутки. Если принять во внимание, что атмосфера загрязнена несколькими загрязнителями, то выражение для КЭ примет вид:
КЭ = За 1а + 1а £ ^ С + Зф 1ф
Если металлоконструкция эксплуатируется в отапливаемом помещении, то 1ф= 0. Поэтому выражение для КЭ будет иметь вид:
КЭ = ( За + £ а| С ) 1а
Зависимость скорости коррозии от относительной влажности W и концентрации диоксида серы Б02 имеет вид:
Зк = 1,028 10-3^ - 48,4) Сб02 = 1,028 п где п - атмосферный фактор с учетом влияния Б02.
При значительных загрязнениях атмосферы кинетика коррозионного процесса будет другой, и модели должны строиться с учетом коррозионных эффектов, полученных экспериментально или измеренных в условиях эксплуатации металлоконструкций. Для описания влияния климатических условий на надежность и долговечность металлических сооружений Кохом было введено понятие технической жесткости климата и погоды, под которым понимается интенсивность воздействия комплекса климатических
О
55 >
£
55
РЧ
п 1
9
8
и
у
а
s
а б
факторов на эксплуатационные свойства материалов и надежность машин, оборудования и сооружений.
Методы защиты от атмосферной коррозии
Методы защиты от атмосферной коррозии делятся на две группы:
1) методы, направленные на воздействие на металл или конструкцию;
2) методы, направленные на воздействие на среду.
Методы первой группы подразделяются следующим образом:
а) нанесение металлических, конверсионных, неметаллических и комбинированных покрытий;
б) легирование металлов. Небольшие количества Си, Р, Ы1, Ог в стали способствуют значительному снижению скорости коррозии в морской воде и промышленной атмосфере примерно на 30.50%. Легирование стали 2% N и 3% Ог снижает скорость коррозии дополнительно на 50.70%, в том числе в тропической атмосфере. Высоколегированные стали и алюминий, применяемые в конструктивных элементах зданий и сооружений, отличаются стойкостью к потускнению в городских и сельских районах, а сплав хастеллой (54% 1\П, 17% Мо, 5% Ре, 15% Ог, 4% W) - в морских атмосферах.
Из методов второй группы распространены следующие:
а) снижение относительной влажности путем повышения температуры воздуха или поглощения содержащейся в нем влаги. Понижение W до 50% во многих случаях достаточно для предотвращения атмосферной коррозии. Метод эффективен за исключением случаев, когда коррозия вызывается агрессивными примесями в воздухе (кислыми или щелочными парами, летучими ингредиентами древесина, пластмасс);
б) использование парофазных (летучих) ингибиторов коррозии. В качестве ингибиторов коррозии целесообразно применение веществ универсального действия, ингибирующих также процессы старения и биоповреждений;
в) применение дополнительной защиты с помощью консервационных составов, легкосни-маемых покрытий и микровосковых составов, которые увеличивают время эксплуатации металлических сооружений в атмосферных условиях и относятся к методам комплексной защиты.
Литература
1. Акимов Г.В. Основы учения о коррозии и защите металлов. - М.: Ме-таллургиздат, 1946. - 356 с.
2. Алексеев С.Н. Коррозия и защита арматуры в бетоне. - М.: Госстройиздат, 1962. - 215 с.
3. Томатов Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов. - М.: АН СССР, 1960. - 590 с.
4. Розенфельд И.Л. Атмосферная коррозия металлов. - М.: АН СССР, 1960. - 277 с.
5. Москвин В.М. Коррозия бетона. - М.: Госстройиздат, 1952. - 337 с.
6. Мощанский Н.А. Плотность и стойкость бетона. - М.: Госстройиздат, 1951. - 175 с.
7. Справочник «Защита от коррозии, старения, биоповреждений машин, оборудования и сооружений» / Под ред. А.А.Герасименко. - Т.1. - М.: Машиностроение, 1987. - 688 с.
8. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы из защиты. - М.: Стойиздат, 1980. - 187 с.
9. Бланчник Р., Занова В., Микробиологическая коррозия. - М.: Химия, 1965. - 256 с.
10. Биостойкость строительных материалов и конструкций. - М.: Госстрой СССР, 1983. - 225 с.
11. Кондратьев С.Ф. Защита древесины. -Киев: Наукова Думка, 1976. - 198 с.
Reasons of atmospheric corrosion of a metal work and
methods of protection Sokolova Yu.A.
Dr.Sci.Tech., prof., academician of PAACH
In article is considered one most widespread types of corrosion
- atmospheric and methods of fight against her. In use metal designs moistening and pollution of their surface is inevitable that is the prime cause of emergence and development of atmospheric corrosion. Formation of film moisture on a metal construction depends on the following factors: relative humidity of air, temperature of a surface of metal, atmospheric precipitation, existence in the atmosphere of hygroscopic products, condition of a surface and porosity of material (metal, concrete, conversion covering).
Keywords: atmospheric corrosion, moisture, protection methods,
metal designs, humidity of air References
1. Akimov G. V. Doctrine bases about corrosion and protection
of metals. - M.: Me-tallurgizdat, 1946. - 356 pages.
2. Alekseev S.N. Corrosion and protection of fittings in concrete.
- M.: Gosstroyizdat, 1962. - 215 pages.
3. Tomatov N.D. Theory of corrosion and protection of metals. -
M.: Academy of Sciences of the USSR, 1960. - 590 pages.
4. Rosenfeld I.L. Atmospheric corrosion of metals. - M.: Academy of Sciences of the USSR, 1960. - 277 pages.
5. Moskvin V.M. Concrete corrosion. - M.: Gosstroyizdat, 1952.
- 337 pages.
6. Moshchansky N.A. Density and firmness of concrete. - M.:
Gosstroyizdat, 1951. - 175 pages.
7. The reference book "Protection against Corrosion, Ageing,
Biodamages of Cars, Equipment and Constructions" / Under the editorship of A.A. Gerasimenko. - T.1. - M.: Mechanical engineering, 1987. - 688 pages.
8. Moskvin V.M., Ivanov F.M., Alekseev S.N., Guzeev E.A. Corrosion of concrete and reinforced concrete, methods from protection. - M.: Stoyizdat, 1980. - 187 pages.
9. Blanchnik R., Zanova V., Microbiological corrosion. - M.: Chemistry, 1965. - 256 pages.
10. Bioproofness of construction materials and designs. - M.: State Committee for Construction of the USSR, 1983. - 225 pages.
11. Kondratyev S. F. Protection of wood. - Kiev: Naukova Dumka, 1976. - 198 pages.
