2.15. Коррозия металлов в природных и технологических средах

Машины, аппараты, металлоконструкции в зависимости от свое­го назначения работают в природных или промышленных средах.

Характер технологической среды оказывает значительное влия­ние на закономерности коррозионных процессов и требует принятия различных решений для осуществления основной инженерной зада­чи — защите металлов от коррозии.

В соответствие с принятой классификацией в этой части книги будут рассмотрены основные закономерности протекания коррози­онных процессов в природных условиях. Это атмосферная, почвен­ная и морская коррозия.

Технологические среды химических производств отличаются боль­шим многообразием, различным сочетанием коррозионно-активных компонентов, и в каждом конкретном случае требуют своего реше­ния. Поэтому в этой части книги будут рассмотрены общие вопро­сы — влияние конструктивных факторов на развитие коррозионных разрушений машин и аппаратов и некоторые виды газовой коррозии, которые приводят к специфическим деструктивным изменениям ме­таллов и сплавов.

Коррозия металлов в природных средах

Большинство металлоконструкций эксплуатируется в природных, естественных средах. Значительное количество стальных сооруже­ний эксплуатируется в атмосферных условиях. Магистральные и промысловые трубопроводы, водоводы, обсадные колонны скважин нефтяных и газовых месторождений работают под землей. Общая масса стали, находящаяся под землей, превышает 200 млн тонн, а поверхность стальных сооружений, подвергающихся почвенной коррозии, составляет более полутора миллиардов квадратных мет­ров.

Металлические конструкции портов, причалов, судов находятся в постоянном контакте с водой и подвержены морской коррозии.

Все виды коррозионных процессов в природных условиях проте­кают по электрохимическому механизму. Однако каждая природная среда обладает своими особенностями.

2.15. 1. Атмосферная коррозия металлов

Атмосферная коррозия — это коррозия сооружений и оборудо­вания, эксплуатирующихся в нормальной земной атмосфере.

Скорость коррозии и вид коррозионного разрушения зависят от природы металла, влажности, загрязненности атмосферы (ГОСТ 16350-80). В среднем скорость коррозии металлов в атмосфере ниже, чем в почве и морской воде.

Основным стимулирующим фактором атмосферной коррозии яв­ляется вода. При относительной влажности воздуха до 60 % следы влаги на поверхности металла отсутствуют. В этом случае коррозия протекает по химическому механизму. Об­разующиеся на поверхности оксидные пленки обладают защитными свойствами и тормозят развитие коррозионных разруше­ний .

При относительной влажности воздуха, равной 60-70%, начинается конденсация влаги и на поверхности металла появля­ется адсорбционная пленка воды. Относи­тельная влажность, при которой начинается конденсация влаги на поверхности металла, называется критической влажностью. Она зависит от состояния металла и от степени загрязнения воздуха.

При относительной влажности, близкой к 100%, или при непосредственном увлаж­нении металла (дождь, туман), на поверхно­сти происходит образование видимых фазо­вых слоев воды.

Указанные три типа состояний значи­тельно отличаются по механизму протека­ния процесса коррозии.

В области сухой коррозии, как указы­валось выше, реализуется химический механизм процесса и скорость разрушения металлов невелика. Рост оксидной пленки происходит в первые секунды и минуты. После двух-трех часов дальнейшее утолщение пленки прекращается. Пре­дельная толщина пленок на железе — 30-40 А, на нержавеющих сталях — 10-20 А.

При образовании адсорбционного слоя влаги (толщиной порядка нескольких молекулярных слоев) на поверхности металла появля

ется электролит. В этих усло­виях реализуется электрохи­мический механизм и ско­рость коррозии значительно возрастает. 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. Так как пленка влаги очень тонкая, то весьма существенны омические потери, но, в целом, процесс контролируется анодным торможением (рис. 6.2, а).

При образовании фазовых пленок в области мокрой коррозии затруднятся доставка кислорода и наблюдается катодное торможение процесса (рис. 6.2, б}.

Железо и сталь в обычных условиях подвергаются общей равно мерной коррозии. Характер протекания атмосферной коррозии существенно зависит от конструктивных особенностей изделия. Наличие узких щелей и зазоров, в которых возможны капил­лярная конденсация и застой влаги, усугубляют атмосфер­ную коррозию и могут при­вести к образованию корро­зионных язв (рис. 6.3).

Загрязнение атмосферы газами, пылью резко ускоря­ет коррозию. Это явление на­блюдают в промышленных центрах, особенно в присут­ствии в воздухе SО₂, NНз, Н₂S, С1₂, НС1.

Обнаружено резко сти­мулирующее коррозию вли­яние низких концентраций

SО₂. Так, присутствие в атмосфере SО₂ в концентрациях 15-35мкг/м³ увеличивает скорость коррозии в десятки и сотни раз. В это же время высокие концентрации SО₂ увеличивают скорость коррозионных разрушений только в 5-7 раз.

В работах Ю.Н. Михайловского предложена физико-механичес­кая модель атмосферной коррозии, которая позволяет связать ин­тенсивность коррозионных разрушений с параметрами окружающей среды. Это служит основой для прогнозирования коррозионного по­ведения металлов и разработки способов их защиты.

Стойкость металлов к атмосферной коррозии зависит от их хи­мической природы и состояния поверхности. Ниже приведены при­ближенные данные по стойкости некоторых металлов в городской атмосфере (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Для защиты от атмосферной коррозии используют различные ор­ганические, неорганические и металлические покрытия. Эффектив­но легирование стали небольшими количествами меди, никеля, фос­фора и хрома.