Швидкість корозії металів. Методи оцінки корозійних процесів

Швидкість корозії-багатофакторний параметр, який залежить як від зовнішніх умов середовища, так і від внутрішніх властивостей матеріалу. У нормативно-технічній документації існують певні обмеження щодо допустимих значень руйнування металу при експлуатації обладнання та будівельних конструкцій для забезпечення їх безаварійної роботи. У проектуванні не існує універсального методу визначення швидкості корозії. Це пов`язано зі складністю обліку всіх факторів. Найбільш надійним методом є вивчення історії експлуатації об`єкта.

Критерій

В даний час в проектуванні техніки використовують кілька показників швидкості корозії:

• За прямим способом оцінки: зменшення маси металевої деталі на одиницю поверхні-ваговий показник (вимірюється в грамах на 1 м² за 1 годину); глибина пошкоджень (або проникність корозійного процесу), мм/рік; кількість виділяється газової фази продуктів корозії; тривалість часу, протягом якого з`являється перше корозійне пошкодження; число центрів корозії на одиницю площі поверхні, що з`явилися за певний термін.
• За непрямою оцінкою: сила струму електрохімічної корозії; електричний опір; зміна фізико-механічних характеристик.

Перший показник за прямим методом оцінки є найбільш поширеним.

Розрахункова формула

У загальному випадку вагові втрати, що визначають швидкість корозії металу, знаходять за такою формулою:

V_kp=q/(St),

де q-зменшення маси металу, г;

S-площа поверхні, з якої відбувся перенесення матеріалу, м²;

t-період часу, ч.

Для листового прокату і виготовлених з нього обичайок визначають глибинний показник (мм / рік):

H=m/t,

m-глибина проникнення корозії в метал.

Між першим і другим показниками, описаними вище, існує наступна залежність:

H=8,76V_kp/ρ,

де ρ-щільність матеріалу.

Основні фактори, що впливають на швидкість корозії

На швидкість руйнування металу впливають наступні групи факторів:

• внутрішні, пов`язані з фізико-хімічною природою матеріалу (фазова структура, хімічний склад, шорсткість поверхні деталі, залишкові і робочі напруги в матеріалі та інші);
• зовнішні (навколишні умови, швидкість руху корозійно-активного середовища, температура, склад атмосфери, наявність інгібіторів або стимуляторів та інші);
• механічні (розвиток корозійних тріщин, руйнування металу під дією циклічних навантажень, кавітаційна і фреттінг-корозія);
• Конструктивні особливості (вибір марки металу, наявність зазорів між деталями, вимоги до шорсткості).

Фізико-хімічні властивості

Найбільше значення серед внутрішніх факторів корозії мають наступні:

• Термодинамічна стійкість. Для її визначення у водних розчинах застосовують довідкові діаграми Пурбе, по осі абсцис яких відкладається pH середовища, а по осі ординат-окислювально-відновний потенціал. Зрушення потенціалу в позитивну сторону означає більшу стійкість матеріалу. Орієнтовно вона визначається як нормальний рівноважний потенціал металу. В реальності матеріали кородують з різною швидкістю.
• Положення атома в періодичній таблиці хімічних елементів. Найбільш схильні до корозії метали – це лужні та лужноземельні. Швидкість корозії знижується при збільшенні атомного номера.
• Кристалічна структура. Вона має неоднозначний вплив на руйнування. Грубозерниста структура сама по собі не призводить до зростання корозії, але сприятлива для розвитку межкристаллитного вибіркового руйнування кордонів зерна. Метали і сплави з однорідним розподілом фаз кородують рівномірно, а з неоднорідним - по осередковому механізму. Взаємне розташування фаз виконує функцію анода і катода в агресивному середовищі.
• Енергетична неоднорідність атомів у кристалічній решітці. Атоми з найбільшою енергією розташовані в кутах граней мікронерівностей і є активними центрами розчинення при хімічній корозії. Тому ретельна Механічна обробка металевих деталей (шліфування, полірування, доведення) підвищує корозійностійкість. Даний ефект пояснюється також формуванням більш щільних і суцільних оксидних плівок на гладких поверхнях.

Вплив кислотності середовища

У процесі хімічної корозії концентрація іонів водню впливає на наступні моменти:

• розчинність продуктів корозії;
• формування захисних оксидних плівок;
• швидкість руйнування металу.

При рН в інтервалі значень 4-10 одиниць (кислий розчин) корозія заліза залежить від інтенсивності проникнення кисню до поверхні об`єкта. У лужних розчинах швидкість корозії спочатку зменшується через пасивації поверхні, а потім, при рН>13 збільшується в результаті розчинення захисної оксидної плівки.

Для кожного виду металу існує своя залежність інтенсивності руйнування від кислотності розчину. Благородні метали (Pt, Ag, Au) стійкі до корозії в кислому середовищі. Zn, Al швидко руйнуються як в кислотах, так і в лугах. Ni і Cd стійкі до лугів, але легко піддаються корозії в кислотах.

Склад і концентрація нейтральних розчинів

Швидкість корозії в нейтральних розчинах залежить більшою мірою від властивостей солі і її концентрації:

• При гідролізі солей в корозійному середовищі утворюються іони, які діють як активатори або сповільнювачі (інгібітори) руйнування металу.
• Ті сполуки, які збільшують pH, підвищують також швидкість деструктивного процесу (наприклад, кальцинована сода), а ті, які знижують кислотність, – зменшують її (Хлористий амоній).
• При наявності хлоридів і сульфатів в розчині руйнування активізується до досягнення деякої концентрації солей (що пояснюється посиленням анодного процесу під впливом іонів хлору і сірки), а потім поступово знижується через зменшення розчинності кисню.

Деякі види солей здатні утворювати важкорозчинну плівку (наприклад, фосфорнокисле залізо). Це сприяє захисту металу від подальшого руйнування. Дана властивість використовується при застосуванні нейтралізаторів іржі.

Сповільнювачі корозії

Сповільнювачі (або інгібітори) корозії розрізняються по механізму дії на окислювально-відновний процес:

• Анодний. Завдяки їм утворюється пасивна плівка. До цієї групи належать сполуки на основі хроматів і біхроматів, нітратів і нітритів. Останній тип інгібіторів застосовується для міжопераційного захисту деталей. При використанні анодних сповільнювачів корозії необхідно попередньо визначити їх мінімальну захисну концентрацію, так як додавання в невеликих кількостях може привести до збільшення швидкості руйнування.
• Катодний. Механізм їх дії заснований на зниженні концентрації кисню і відповідно, уповільнення катодного процесу.
• Екранувальний. Дані інгібітори ізолюють поверхню металу за допомогою утворення нерозчинних сполук, що відкладаються у вигляді захисного шару.

До останньої групи належать нейтралізатори іржі, які використовуються також для очищення від оксидів. До їх складу, як правило, входить ортофосфорна кислота. Під її впливом відбувається фосфатування металу-утворення міцного захисного шару нерозчинних фосфатів. Нейтралізатори наносять пульверизатором або валиком. Через 25-30 хвилин поверхня набуває біло-сірий колір. Після висихання складу наносять лакофарбові матеріали.

Механічний вплив

Підвищенню корозії в агресивному середовищі сприяють такі типи механічного впливу, як:

• Внутрішні (при формуванні або термообробці) і зовнішні (під впливом прикладеної ззовні навантаження) напруги. В результаті виникає електрохімічна неоднорідність, відбувається зниження термодинамічної стійкості матеріалу і формується корозійне розтріскування. Особливо швидко відбувається руйнування при розтягуючих навантаженнях (тріщини утворюються в перпендикулярних площинах) в присутності аніонів окислювачів, наприклад, NaCl. Типовим прикладом пристроїв, схильних до такого типу руйнування, є деталі парових котлів.
• Знакозмінний динамічний вплив, вібрації (корозійна втома). Відбувається інтенсивне зниження межі втоми, утворюються множинні мікротріщини, які потім зливаються в одну велику. Число циклів до руйнування більшою мірою залежить від хімічного і фазового складу металів і сплавів. Такий корозії схильні осі насосів, ресори, лопатки турбін та інші елементи обладнання.
• Тертя деталей. Швидке кородування обумовлено механічним зносом захисних плівок на поверхні деталі і хімічною взаємодією з середовищем. У рідині швидкість руйнування нижче, ніж на повітрі.
• Кавітаційний ударний вплив. Кавітація виникає при порушенні суцільності потоку рідини в результаті утворення вакуумних бульбашок, які схлопуються і створюють пульсуючий вплив. В результаті виникають глибокі пошкодження локального характеру. Даний тип корозії часто спостерігається в хімічних апаратах.

Конструктивний чинник

При конструюванні елементів, що працюють в агресивних умовах, необхідно враховувати, що швидкість корозії зростає в наступних випадках:

• при контакті різнорідних металів (чим більше різниця електродного потенціалу між ними, тим вище сила струму електрохімічного процесу руйнування);
• при наявності концентраторів механічних напруг (канавки, пази, отвори та інші);
• при низькій чистоті обробленої поверхні, так як при цьому виникають локальні короткозамкнені гальванічні пари;
• при значній різниці температури окремих частин апарату (утворюються термогальванічні елементи);
• при наявності застійних зон (щілини, зазори);
• при формуванні залишкових напружень, особливо в зварних з`єднаннях (для їх усунення необхідно передбачити термічну обробку-Відпал – .

Методи оцінки

Існувавши кілька способів оцінки швидкості руйнування металів в агресивних середовищах:

• Лабораторні-випробування зразків в штучно змодельованих умовах, близьких до реальних. Їх перевагою є те, що вони дозволяють скоротити терміни дослідження.
• Польові-проводяться в природних умовах. Займають тривалий час. Перевагою такого методу є отримання інформації про властивості металу в умовах подальшої експлуатації.
• Натурні-випробування готових металевих об`єктів в природному середовищі.