Скорость коррозии металла

14.11.2024

Рейтинг: 4.2 Голосов: 5

Время прочтения: 7 мин

Рейтинг: 4.6

Время прочтения: 7 мин

Полезное

Коррозия – это процесс разрушения металлов под воздействием окружающей среды. Деградация металла происходит вследствие его контакта с кислородом и влагой, электрохимических реакций между металлом и окружающей средой. Также негативно на качество и поверхность материала влияют загрязнения или примеси, агрессивные вещества (соли или кислоты).

Вне зависимости от скорости коррозии металла в воде или грунте, у металлических изделий:

Уменьшается прочность и твердость.
Снижается пластичность и ударная вязкость.
Ухудшается электропроводность.
Меняется геометрия.
Нарушается герметичность (в случае труб или емкостей).
Ухудшается внешний вид.

Есть несколько явных признаков коррозионного поражения. Первое – это изменение цвета поверхности (появление рыжих, зеленых или черных пятен). Поверхность изделия становится неровной или шероховатой, появляются точечные углубления (питтинг). В запущенных случаях происходит отслоение или вздутие верхнего слоя металла, трещины и даже сквозные отверстия. Обычно вес изделия становится меньше, а на местах поражения металл становится хрупким.

При этом не все виды коррозии видны невооруженным глазом. Например, межкристаллитная развивается исключительно внутри металла без явных внешних признаков.

Чтобы не допустить образования ржавчины, существует масса видов защиты от покрытий до ингибиторов.

Виды коррозии

Перед определением скорости коррозии металла важно узнать, с каким видом окисления металла имеем дело.

Например, газовая образуется при высоких температурах в газовых средах. Она часто встречается в деталях двигателей, печах, турбинах. Скорость поражения зависит от температуры рабочей среды, состава газовой среды. Атмосферная наиболее распространена и развивается под действием воздуха и/или влаги. Этот вид окисления характерен для наружных конструкций из металла или оборудования. Негативное влияние усиливается при наличии дополнительных веществ в виде SO2 или NaCl.

Почвенная коррозия возникает при контакте металла с почвой. Степень поражения зависит от влажности, кислотности, аэрации грунта, может усиливаться из-за блуждающих токов. Окисление особенно опасно для подземных трубопроводов, кабелей. Биологическая вызывается жизнедеятельностью микроорганизмов, что характерно для влажных сред, богатых органикой. Такое явление характерно для систем водоснабжения, нефтяной промышленности.

Коррозия в электролитах происходит при погружении металла в их растворы. Различают химическую (без переноса электронов) и электрохимическую (с переносом). Скорость распространения зависит от состава, температуры, наличия.отсутствия примесей. Такой вид поражения металла характерен для оборудования химической промышленности, морских судов.

Другие виды коррозии:

Контактная возникает при контакте двух разных металлов в электролите. Более активный корродирует быстрее.
Щелевая развивается в узких зазорах или щелях конструкций. Она часто встречается в резьбовых соединениях, под прокладками.
Питтинговая образует глубокие локальные поражения (питтинги). Она характерна для нержавеющих сталей и алюминиевых сплавов.
Межкристаллитная распространяется по границам зерен сплав или природного металла. Особенно опасна, так как у нее практически нет внешних признаков.

Понимание различных видов коррозии помогает правильно выбирать материалы и методы защиты для конкретных условий эксплуатации металлических изделий/конструкций.

Формулы расчета скорости коррозии

В профильной литературе есть формула скорости коррозии металла на воздухе, в грунте или воде. :

V = Δm / (S × t)

где: V - скорость коррозии (г/м²×ч или мм/год), Δm - потеря массы образца (г), S - площадь поверхности образца (м²), t - время испытания (ч)

Для расчета глубинных показателей окислению изделий используют формулу ∏ = 8,76 × v / ρ. ∏ – это глубинный показатель (мм/год), 8,76 – коэффициент пересчета (число часов в году, деленное на 1000), v - скорость (г/м²×ч), ρ - плотность металла (г/см³).

Благодаря унифицированным формулам легко определить и перевести скорость коррозии из г/м²×ч в мм/год. При этом коэффициент 8,76 используется для преобразования единиц измерения, учета количества часов в году.

Допустим, есть стальная пластина площадью 0,1 м², которая за 720 часов (30 дней) потеряла 2,88 г массы. Тогда V = 2,88 г / (0,1 м² × 720 ч) = 0,04 г/(м²×ч). Рассчитанная скорость окисления в 0,04 г/(м²×ч) показывает, сколько грамм металл теряет с каждого квадратного метра поверхности за час.

Важно учитывать, что в формулах предполагается равномерное окисление металла по всей поверхности, что не всегда реально. На практике интенсивность меняется со временем. Поэтому для точной оценки нужны длительные испытания. При этом глубинный показатель особенно полезен для оценки срока службы металлических конструкций, при планировании их замены или защиты.

Факторы, влияющие на скорость коррозии

Существует несколько категорий факторов, влияющих на скорость коррозии. К классу внешних относятся:

Температура – с ее повышением, как правило, возрастает и скорость протекания химических реакций.
Влажность способствует электрохимическому окислению, особенно при наличии загрязняющих веществ.
Повышенная концентрация кислорода или других окислителей ускоряет окисление металла.
Высокая pH среды заставляет металл быстрее корродировать в кислых средах.
Наличие агрессивных ионов, например, хлорид-ионов, разрушает защитные оксидные пленки на поверхности изделий.
Механические напряжения ускоряют коррозию, особенно когда изделие под напряжением.

Есть и биологические факторы, так как некоторые микроорганизмы ускоряют образование ржавчины на поверхности изделий.

Среди внутренних факторов коррозии выделяют термодинамическую устойчивость. Металлы с более отрицательным электродным потенциалом (например, магний, алюминий) склонны к более быстрому окислению. А благородные (золото, платина) устойчивее благодаря высокому положительному потенциалу.

Дефекты кристаллической решетки (вакансии, дислокации, границы зерен) создают области с повышенной энергией, которые более склонны к окислению. Чем их больше, тем выше скорость образования ржавчины.

Металлы с меньшим атомным номером (например, щелочные и щелочноземельные) более активны и склонны к окислению. Также материалы с плотноупакованными структурами (ГЦК, ГПУ) обычно устойчивее к образованию ржавчины на поверхности. В целом же, более однородные структуры менее подвержены деформации под воздействием влаги и окружающей среды.

При этом взаимодействие нескольких факторов может ускорить окисление изделий. Например, сочетание высокой температуры с агрессивной средой пагубно даже для термодинамически устойчивого металла.

Способы защиты

Существует несколько эффективных способов замедлить скорость коррозии металла.

На поверхность изделия можно нанести металлическое покрытие. Например, процесс цинкования, хромирования, никелирования, оловянирования. Главная цель – создать защитный барьер, чтобы поверхность металла не окислялась.

С такой же целью используют антикоррозийные грунтовки, эмали и краски, порошковые покрытия. Часто в таких составах есть ингибиторы коррозии. Поверхность можно изолировать от окружающей среды полимерными покрытиями (эпоксидными, полиуретановыми), резиной, битумным составом.

Катодная защита предполагает использование более активного металла, либо наложение внешнего электрического тока (электрохимическая защита). За счет добавления в состав металла легирующих элементов (хром, никель, молибден) можно повысить устойчивость продукта к образованию ржавчины. Уже созданы специальные марки нержавеющих сталей, другие коррозионностойкие сплавы.

Среди других способов:

Конструктивные – правильное проектирование для предотвращения застоя воды, исключение контакта разнородных металлов.
Термическая обработка – закалка, отпуск, нормализация для улучшения структуры сплава.
Химическая пассивация – создание защитной оксидной пленки на поверхности.
Электрохимическая защита – анодирование алюминия и его сплавов.
Контроль окружающей среды – снижение влажности, удаление агрессивных веществ из атмосферы, осушители в закрытых пространствах.