Скорость коррозии металла: как рассчитывается и на что влияет

СОДЕРЖАНИЕ

• Показатели коррозии металла
• Способы оценки скорости коррозии металла
• Расчет скорости коррозии металла
• Основные факторы, влияющие на скорость коррозии
• Влияние механического воздействия на скорость коррозии
• Замедлители коррозии металла

Показатели коррозии металла

Образование ржавчины – это самопроизвольный процесс, при котором изделие из металла разрушается из-за взаимодействия с веществами окружающей среды на границе раздела фаз. Появление коррозии приводит к тому, что функциональные свойства изделия теряются. Происходит окисление металла, а также образование продуктов, состав которых зависит от условий коррозии.

Возникают серьезные потери из-за образования ржавчины: разрушаются трубопроводы, цистерны, металлические элементы автомобилей, корпуса судов и морских сооружений. В результате высокой скорости коррозии металла достаточно большие и экономические потери.

Металлические изделия подвержены образованию ржавчины, поскольку они термодинамически неустойчивы в коррозионной среде. Единицей измерения термодинамической неустойчивости выступает энергия Гиббса (ΔG), которая наблюдается, когда металл взаимодействует с веществами окружающей среды.

По законам термодинамики, коррозия образуется только при ΔG < 0.

Следующие явные признаки указывают на то, что начался процесс образования ржавчины:

1. убыль или увеличение массы относительно единицы поверхности металла;
2. глубина коррозии;
3. доля поверхности, на которой образуется ржавчина;
4. количество коррозионных язв или точек, то есть очагов ржавчины на единице поверхности;
5. объем выделившегося с единицы поверхности водорода (либо поглощенного кислорода);
6. время до появления первого очага коррозии;
7. время до образования коррозионной трещины либо полного разрушения образца;
8. сила тока коррозии.

Читайте также: «Организация сварочных работ»

Косвенные показатели образования ржавчины:

• изменяются физико-механические параметры металла, снижается предел прочности при испытаниях на сжатие и разрыв, меняется относительное удлинение, отражательная способность;
• меняется сопротивление.

Первый показатель по прямому методу оценки встречается чаще всего. 

Способы оценки скорости коррозии металла

Есть три основных способа для определения скоростей коррозии металлов в агрессивных средах:

1. В лабораторных условиях. Испытания образцов происходят в искусственно созданных условиях, которые близки к реальным. Главное достоинство таких способов – высокая скорость проведения исследований.
2. В полевой обстановке. В этом случае выявление показателей скорости коррозии металлов происходит в реальных условиях. Недостаток таких способов – потребуется много времени на проведение исследований. Главный плюс – данные о свойствах металлов будут получены в условиях их эксплуатации.
3. Натурные способы – исследования проводятся в естественной среде.

Расчет скорости коррозии металла

Для листового проката и сделанных из него обечаек используется нижеуказанная формула скорости коррозии металла (мм/год): H = m / t.

Расшифровывается она следующим образом:

• m – глубина проникновения ржавчины в металл;
• t – время.

Но более общей формулой, характеризующей потерю веса металлической конструкцией, является следующая: Vkp = q / (S × t).

Здесь:

• q – уменьшение массы металла, г;
• S – площадь поверхности, с которой произошел перенос материала, м2;
• t – период времени, ч.

Между первым и вторым показателями есть определенная зависимость: H = 8,76 Vkp / ρ.

Здесь ρ – плотность материала.

Читайте также: «Сварочный стол своими руками»

Когда ржавчина образуется равномерно, чтобы определить скорость коррозии металла, используется данная формула: V = Δm / S × t.

Ее расшифровка приведена ниже:

• v — скорость коррозии, которую обычно выражают в таких единицах: г/(м2×ч) или мг/(см2×сут);
• Δm — убыль (увеличение) массы;
• S — площадь поверхности;
• t — время.

Важно понимать, что не во всех ситуациях удобно использовать весовой показатель, к примеру когда нужно сравнить коррозию металлов, плотность которых отличается. В этом случае следует учитывать показатель глубины коррозии, то есть среднюю глубину проникновения ржавчины в металл.

Читайте также: «Контактная сварка»

Помимо скоростных характеристик, зачастую используется глубинный показатель коррозии: ∏ = 8,76 × v / ρ,

• 8,76 — коэффициент для перехода от измерения весового показателя скорости образования ржавчины (в расчете на 1 ч) к глубинному показателю (в расчете на 1 год) 24 ч × 360 = 8760 ч;
• v — скорость образования ржавчины, г/(м2×ч);
• ρ — плотность, г/см3;

Когда ржавчина образуется местно, ее скорость невозможно точно определить по весовым или глубинным показателям. Если коррозия питтинговая, следует выяснить наибольшую величину по глубине.

Читайте также: «Контроль сварных швов: разбираемся в методах оценки»

Что касается межкристаллитной коррозии, а также коррозионного растрескивания, скорость образования ржавчины количественно можно характеризовать механическим показателем коррозии, к примеру, определив потерю прочности по следующей формуле: Kσ = (σ0 – σ1 / σ0) × 100 %.

Ее расшифровка приведена ниже:

• σ0 — предел прочности до коррозии;
• σ1 — предел прочности после образования ржавчины, рассчитывается относительно первоначальной площади сечения образца из металла.

Шкала грубой оценки устойчивости металлов к образованию ржавчины:

Основные факторы, влияющие на скорость коррозии

Скорость коррозии металла в морской воде или на воздухе будет отличаться. Данный показатель зависит от множества факторов:

1. внутренние, они определяются физическими и химическими свойствами металла, его фазовой структурой, составом, шероховатостью поверхности, остаточными и рабочими напряжениями в материале;
2. внешние, сюда относятся условия окружающей коррозионно-активной среды, ее скорость движения, температурный режим, состав атмосферы, применение ингибиторов либо стимуляторов;
3. механические, в этом случае коррозионное растрескивание и порча металла происходит в результате циклических нагрузок, это, прежде всего, кавитационная и фреттинг-коррозия;
4. специфика конструкции: марка металла, зазоры между элементами, шероховатости.

Скорость коррозии металла в земле или в воде зависит от ключевых внутренних факторов:

• Термодинамическая устойчивость. Чтобы определить этот параметр в водных растворах, используют справочные диаграммы Пурбе, по оси абсцисс которых нужно отложить pH среды, по оси ординат – окислительно-восстановительный потенциал. Если потенциал сдвигается в положительную сторону, значит, материал достаточно устойчив. Приблизительно термодинамическая устойчивость определяется как нормальный равновесный потенциал металла. Но на практике образование коррозии происходит с разной скоростью.
• Положение атома в периодической таблице Менделеева. Скорость коррозии металла на воздухе или в воде будет выше у таких групп химических элементов, как щелочные и щелочноземельные. При увеличении атомного номера данный параметр снижается.
• Кристаллическая структура. Она своеобразно влияет на протекание разрушительного процесса. Непосредственно крупнозернистая структура не провоцирует увеличение образования ржавчины, однако является благоприятной для межкристаллитного избирательного разрушения границ зерна. Металлы и сплавы с однородным распределением фаз ржавеют равномерно, с неоднородным – коррозируют очагами. Взаимное расположение фаз играет роль анода и катода в агрессивной среде.
• Энергетическая неоднородность атомов в кристаллической решетке. Атомы с максимальной энергией находятся в углах граней микронеровностей, они – активные центры растворения при химическом образовании ржавчины. Чтобы повысить устойчивость деталей к коррозии, следует обрабатывать их: шлифовать, полировать, выполнять доводку. Также защитить металл получится, если на поверхности будет плотная и сплошная оксидная пленка.

Читайте также: «Сварка нержавейки электродом»

При химической коррозии концентрация ионов водорода влияет на то:

• как растворяются продукты коррозии;
• как формируются защитные оксидные пленки;
• с какой скоростью будет разрушаться металл.

Если рН находится в промежутке 4-8 единиц (то есть кислая или нейтральная среда), то коррозия металла определяется тем, насколько интенсивно проникает кислород к поверхности детали.

Если среда щелочная, коррозия сначала будет протекать медленнее благодаря пассивации поверхности, но затем, при рН > 13 этот показатель увеличится, поскольку оксидная пленка растворится.

Каждый вид металла будет иметь определенную зависимость скорости коррозии от кислотности раствора. Благородные металлы (Pt, Ag, Au) не подвержены образованию ржавчины в кислой среде.

Однако происходит быстрое разрушения Zn, Al, причем не только в кислой, но и щелочной среде. 

На Ni и Cd не образуется ржавчина в щелочной среде, однако коррозия на них может появиться в кислом растворе.

То, насколько быстро будет появляться ржавчина на металле в нейтральной среде, зависит от свойств соли и ее концентрации:

• При гидролизе солей в коррозионной среде происходит образование ионов, они выполняют функцию активаторов либо замедлителей, то есть препятствуют появлению коррозии.
• Соединения, увеличивающие pH, ускоряют процесс образования ржавчины, к примеру это кальцинированная сода. Соединения, снижающие кислотность, например хлористый аммоний, замедляют разрушительные процессы.
• Если в растворе есть хлориды и сульфаты, происходит активация разрушения до того момента, когда соли достигнут определенной концентрации. По этой причине анодный процесс усиливается под действием ионов хлора и серы. После этого скорость его снижается, поскольку кислород хуже растворяется в среде.
• Ряд солей могут образовывать пленку, которая практически не растворяется, к примеру фосфорнокислое железо. В результате этого металл будет защищен от образования ржавчины. Это свойство успешно используют в нейтрализаторах коррозии.

Конструируя детали, предназначенные для работы в агрессивной среде, важно понимать, когда скорость коррозии металла увеличивается:

1. после взаимодействия металлов разного состава, с увеличением разницы электродного потенциала между ними, будет повышаться скорость образования ржавчины;
2. если обрабатываемая поверхность загрязнена, поскольку в этом случае образуются локальные короткозамкнутые гальванические пары;
3. когда температура частей аппарата существенно отличается, в результате этого происходит образование термогальванических элементов;
4. если есть застойные области, щели, зазоры;
5. когда формируются остаточные напряжения, поэтому в сварных швах проводят специальную термообработку – отжиг.

Влияние механического воздействия на скорость коррозии

Процесс образования ржавчины на металле протекает быстрее в результате механических воздействий:

1. Внутренние (во время формования и термической обработки) и внешние (в результате воздействия нагрузки извне) напряжения. Это приводит к электрохимической неоднородности, снижается термодинамическая устойчивость материала, формируется коррозионное растрескивание. Выше всего скорость образования коррозии при растягивающих нагрузках. В этом случае трещины появляются в перпендикулярных плоскостях, когда есть анионы окислителей, например NaCl. Подобное разрушение можно наблюдать на элементах паровых котлов.
2. Знакопеременное динамическое воздействие, вибрации. Когда снижается предел коррозионной усталости, возникают мельчайшие трещинки, превращающиеся со временем в большое разрушение. Количество циклов до критической поломки определяется химическим и фазовым составом металлов и сплавов. Данный вид коррозии встречается на осях насосов, рессор, лопатках турбин и прочих деталях оборудования.

Читайте также: «Брызги металла при сварке»

1. Трение элементов. Ржавчина образуется достаточно быстро из-за того, что защитные пленки изнашиваются, в результате поверхность металла начинает химически взаимодействовать с агрессивной средой. Причем корродирование происходит быстрее в жидкости, чем на воздухе.
2. Кавитационное ударное разрушение. Кавитация появляется, если нарушена сплошность потока жидкости из-за появления вакуумных пузырьков. Они схлопываются, это приводит к тому, что создается пульсирующее воздействие. Как следствие данного процесса, появляются глубокие локальные повреждения. Подобный вид коррозии можно увидеть в химических аппаратах.

Замедлители коррозии металла

Замедлители, другое название которых «ингибиторы», образования ржавчины могут отличаться в зависимости от принципа воздействия на окислительно-восстановительный процесс:

• Анодные. За счет их использования происходит образование пассивной пленки. К анодным ингибиторам можно отнести соединения на основе хроматов и бихроматов, нитратов и нитритов. Последний вид замедлителей коррозии подходит для межоперационной защиты элементов. Если используются анодные ингибиторы, следует рассчитать их минимально возможную концентрацию. Дело в том, что при добавлении большого количества скорость образования ржавчины, наоборот, увеличится.
• Катодные. Действуют по принципу снижения концентрации кислорода, поэтому замедляется катодный процесс.
• Экранирующие. Эти замедлители способны изолировать поверхность металла, так как они образуют нерастворимые соединения. Они отлагаются в виде защитной пленки.

К последней группе ингибиторов можно отнести нейтрализаторы, они подходят для того, чтобы очищать поверхность от окислов. Состоят такие замедлители из ортофосфорной кислоты.

Она влияет на процесс фосфатирования металла, на поверхности образуется защитная пленка из нерастворимых фосфатов. Нейтрализаторы необходимо наносить с помощью пульверизатора либо валика. Спустя 25-30 минут оттенок металлической поверхности изменится на бело-серый. Когда ингибитор высохнет, можно покрасить поверхность.

Скорость образования коррозии зависит от множества факторов, условий среды, а также свойств металла.

Читайте также: «Сварочная ванна»

В нормативно-технических документах прописаны строгие ограничения по допустимым значениям коррозии во время использования оборудования, строительных конструкций. Только при соблюдении этих требований можно обеспечить безопасность работы.

 В проектировании есть множество способов, с помощью которых можно определить скорость образования ржавчины. Важно учитывать особенности конкретной ситуации и все воздействующие на металл факторы.