Коррозия металлических конструкций. Коррозия каменных конструкций.

Причины возникновения

Причины коррозионных процессов:

• соприкосновение разных видов металлов, сплавов;
• частые перепады температуры;
• трение между металлическими поверхностями;
• длительное воздействие влаги;
• влияние кислот, щелочей, химических элементов;
• использование некачественных жидкостей при механической обработке материала;
• жировые пятна, остающиеся на металлических поверхностях после прикосновения к ним.

Ржавчина может образовываться при периодическом воздействии статического или постоянного тока.

Необходимость антикоррозионной защиты

Защита металла от воздействий, которые разрушающе действуют на его поверхность – одна из основных задач, возникающих перед теми людьми, которые работают с механизмами, агрегатами и машинами, морскими судами и строительными процессами.

Любой металл, кроме благородных, в той или иной степени, подвергается воздействию разрушительных процессов.

Чем активнее эксплуатируется устройство или деталь, тем больше шансов у нее подвергнуться разрушительному воздействию и атмосферных условий, жидкостей, с которыми приходится сталкиваться в процессе работы. Над защитой металла от коррозии работают многие отрасли науки и промышленного производства, но основные способы остаются при этом неизменными, и состоят в создании защитных покрытий:

• металлических;
• неметаллических;
• химических.

Неметаллические покрытия создаются с помощью органических и неорганических соединений, их принцип действия достаточно эффективен и отличается от остальных типов защиты. Для создания неметаллической защиты в промышленном и строительном производстве используются лакокрасочные составы, бетон и битум и высокомолекулярные соединения, особенно активно взятые на вооружение в последние годы, когда больших высот достигла химия полимеров.

Химия внесла свой вклад в создание защитных покрытий методами:

• оксидирования (создания защитной пленки на металле с помощью оксидных пленок);
• фосфатирования (фосфатных пленок);
• азотирования (насыщения поверхности стали азотом);
• цементации (соединения с углеродом);
• воронения (соединения с органическими веществами);
• изменения состава металла путем введения в него антикоррозийных добавок);
• модификации окружающей коррозийной среды путем введения ингибиторов, влияющих на нее.

Электрохимическая защита от коррозии – это процесс, обратный электрохимической коррозии. В зависимости от смещения потенциала металла в положительную или отрицательную стороны, различают анодную и катодную защиту. Путем подсоединения к металлическому изделию протектора или источника постоянного тока на металлической поверхности создается катодная поляризация, которая и препятствует разрушению металла через анод.

Электрохимические методы защиты состоят в двух вариантах:

• металлическое покрытие защищено другим металлом, у которого более отрицательный потенциал (то есть, защищающий металл менее устойчив, чем защищаемый), и это называется анодное покрытие;
• покрытие нанесено из менее активного металла, и тогда он является и называется катодным.

Анодная защита от коррозии – это, например, оцинкованное железо. Пока не израсходуется весь цинк с защитного слоя, железо будет в относительной безопасности.

Защита катодным способом – это никелирование или нанесение меди. В этом случае разрушение защитного слоя приводит и к разрушению того слоя, который он защищает. Присоединение протектора для предохранения металлического изделия ничем не отличается от протекания реакции в других случаях. Протектор выступает в роли анода, а то, что находится под его протекторатом, остается в сохранности, используя созданные ему условия.

Виды

Коррозионные процессы классифицируются зависимо от разных критериев. Основные из них — цвет, механизм образования ржавчины, тип агрессивной среды, характер разрушения.

По цвету

Зависимо от цвета бывают разные виды ржавчины. Она может быть черной, желтой, коричневой, красной. Оттенок зависит от химической формулы образовавшегося вещества.

Ржавый металл

Желтая

Химическая формула желтой ржавчины — FeO(OH)H2O. Она появляется под воздействием высокой влажности, в среде с малым количеством кислорода. Подобный вид ржавчины можно увидеть под водой.

Коричневая

Химическая формула коричневой ржавчины — Fe2O3. Встречается крайне редко, появляется без воздействия влаги.

Красная

Химическая формула красной ржавчины — Fe2O3•H2O. Образуется при одновременном воздействием воды и кислорода. Встречается чаще других видов. Разрушительный процесс протекает равномерно, постепенно распространяется на всю поверхность.

Черная

Химическая формула — Fe3O4. Появляется без воздействия влаги, в среде с малым количеством кислорода. Часто используется для создания сверхпроводников, поскольку является ферромагнетиком.

По механизму протекания

Виды:

• химическая;
• электромеханическая.

Процессы отличаются по механизму разрушения материала.

Химическая

Процесс разрушения металла, провоцирующий распад металлических связей, развитие химических реакций между атомами материала. Элементы, которые взаимодействуют между собой, пространственно не разделяются. Скорость разрушения детали зависит от скорости протекания химической реакции.

Электрохимическая

Данный процесс разрушения металлических деталей протекает в среде электролитов и сочетается с возникновением тока.

Ржавый корабль

По типу агрессивной среды

Виды:

1. Атмосферная.
2. Газовая.
3. Радиационная.
4. Подземная.
5. Контактная.
6. Биокоррозия.
7. Коррозия током.
8. Коррозийная кавитация.
9. Коррозия под напряжением.
10. Фреттинг-коррозия.

Атмосферная

Естественный процесс разрушения. Может протекать в воздушной или газовой атмосфере. Важное условие — повышенный уровень влажности. Чем он выше, тем быстрее разрушится материал.

Газовая

Процесс разрушения металлических деталей, который протекает в условиях газовой среды. Отличается низким уровнем влажности. Процесс образования ржавчины ускоряется при повышении температуры.

Радиационная

Возникает при интенсивном воздействии радиационного излучения. У сплавов высокой плотности протекает медленно.

Подземная

Если металлическая деталь какое-то время полежит под землей, можно заметить на ее поверхностях зеленый налет или другие цветовые искажения. Это следствие окислительный процессов, которые протекают в разных видах грунта.

Контактная

Быстро появляется в местах, где два разных металла соприкасаются друг с другом. Это обуславливается разницей стационарного потенциала в электролите.

Биокоррозия

Процесс разрушения металлических деталей, который обуславливается воздействием разных микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности.

Ржавые обломки судов

Коррозия током

Может происходить при воздействии блуждающего или внешнего тока. Скорость распространения ржавчины зависит от силы тока, длительности, периодичности его воздействия на металлические детали.

Коррозийная кавитация

Один из многочисленных процессов саморазрушения разных видов металлов. Он запускается при воздействии внешней среды, механического повреждении.

Коррозия под напряжением

Процесс разрушения сплавов, который происходит при взаимодействии механического напряжения с коррозийно-активной средой. Этот вид коррозии опасен для металлоконструкций, которые подвержены большим нагрузкам.

Фреттинг-коррозия

Сложный коррозионный процесс, который протекает под воздействием коррозийной среды с различными вибрациями. Чтобы не допустить образования ржавчины, важно снизить коэффициент трения металлических деталей.

По характеру разрушения

Виды:

• сплошная;
• избирательная;
• местная;
• подповерхностная;
• межкристаллическая;
• щелевая.

Они отличаются локализацией, степенью углубления в материал, тяжестью разрушения.

Сплошная

При таком коррозионном процессе ржавчиной покрываются все металлические поверхности. Она может быть равномерной или неравномерной, зависимо от скорости разрушения материала в разных местах детали.

Избирательная

Подобный процесс затрагивает один из элементов металлоконструкции, который не имеет антикоррозийного покрытия, затормаживающего процесс разрушения.

Ржавый автомобиль (Фото: pixabay.com)

Местная

Пятна ржавчины разбросаны по металлической поверхности. Они представляют собой углубления разного размера, одна часть которых могут быть поверхностными, другие сквозными.

Подповерхностная

Появляется под металлическими поверхностями. Она быстро проникает вглубь материала. Данный вид коррозионных процессов характеризуется расслоением металла.

Межкристаллическая

Начинает появляться по границам отдельных зерен материала. Ее крайне сложно выявить по внешнему виду. Быстро ухудшаются показатели плотности, прочности, пластичности. Детали становятся хрупкими.

Щелевая

Образуется на местах соединения двух металлических деталей. Может появляться в технологических зазорах, под техническими прокладками.

Электрохимическая коррозия металлов

Электрохимическая коррозия металлов – это процесс разрушения металлов в среде различных электролитов, который сопровождается возникновением внутри системы электрического тока.

При таком типе коррозии атом удаляется из кристаллической решетки результате двух сопряженных процессов:

• Анодного – металл в виде ионов переходит в раствор.
• Катодного – образовавшиеся при анодном процессе электроны, связываются деполяризатором (вещество — окислитель).

Сам процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией, а вещества способствующие отводу – деполяризаторами.

Наибольшее распространение имеет коррозия металлов с водородной и кислородной деполяризацией.

Водородная деполяризация

Водородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в кислой среде:

2H++2e— = H2 разряд водородных ионов

2H3O++2e— = H2 + 2H2O

Кислородная деполяризация

Кислородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в нейтральной среде:

O2 + 4H++4e— = H2O восстановление растворенного кислорода

O2 + 2H2O + 4e— = 4OH—

Все металлы, по их отношению к электрохимической коррозии, можно разбить на 4 группы, которые определяются величинами их стандартных электродных потенциалов:

1. Активные металлы (высокая термодинамическая нестабильность) – это все металлы, находящиеся в интервале щелочные металлы — кадмий (Е0 = -0,4 В). Их коррозия возможна даже в нейтральных водных средах, в которых отсутствуют кислород или другие окислители.
2. Металлы средней активности (термодинамическая нестабильность) – располагаются между кадмием и водородом (Е0 = 0,0 В). В нейтральных средах, в отсутствии кислорода, не корродируют, но подвергаются коррозии в кислых средах.
3. Малоактивные металлы (промежуточная термодинамическая стабильность) – находятся между водородом и родием (Е0 = +0,8 В). Они устойчивы к коррозии в нейтральных и кислых средах, в которых отсутствует кислород или другие окислители.
4. Благородные металлы (высокая термодинамическая стабильность) – золото, платина, иридий, палладий. Могут подвергаться коррозии лишь в кислых средах при наличии в них сильных окислителей.

Виды электрохимической коррозии

Электрохимическая коррозия может протекать в различных средах. В зависимости от характера среды выделяют следующие виды электрохимической коррозии:

• Коррозия в растворах электролитов — в растворах кислот, оснований, солей, в природной воде.
• Атмосферная коррозия – в атмосферных условиях и в среде любого влажного газа. Это самый распространенный вид коррозии.

Например, при взаимодействии железа с компонентами окружающей среды, некоторые его участки служат анодом, где происходит окисление железа, а другие – катодом, где происходит восстановление кислорода:

А: Fe – 2e— = Fe2+

K: O2 + 4H+ + 4e— = 2H2O

Катодом является та поверхность, где больше приток кислорода.

• Почвенная коррозия – в зависимости от состава почв, а также ее аэрации, коррозия может протекать более или менее интенсивно. Кислые почвы наиболее агрессивны, а песчаные – наименее.
• Аэрационная коррозия — возникает при неравномерном доступе воздуха к различным частям материала.
• Морская коррозия – протекает в морской воде, в связи с наличием в ней растворенных солей, газов и органических веществ.
• Биокоррозия – возникает в результате жизнедеятельности бактерий и других организмов, вырабатывающих такие газы как CO2, H2S и др., способствующие коррозии металла.
• Электрокоррозия – происходит под действием блуждающих токов на подземных сооружениях, в результате работ электрических железных дорог, трамвайных линий и других агрегатов.

Методы защиты

Чтобы защитить металлические поверхности от образования коррозии, применяются разные методики. Каждая из них уникальна, имеет определенные особенности.

Нанесение защитного покрытия

Защитные покрытия могут быть двух видов — металлические, неметаллические. Виды неметаллических покрытий:

1. Химический слой. Чаще это оксидные пленки, которые образуются на поверхности под воздействием пара, воздуха. Один из вариантов оксидирования — погружение деталей в раствор азотной кислоты, нагретой до 140°C.
2. Лакокрасочные покрытия. Главный недостаток лакокрасочных покрытий — низкая устойчивость к перепадам температуры, механическому повреждению.
3. Порошковые краски. Наносятся специализированным оборудованием в закрытых покрасочных камерах.
4. Различные полимерные покрытия.

Что такое коррозия?

С точки зрения химии коррозия – это окислительно-восстановительные процессы между металлом и коррозионной средой. Если металл попадает в щелочную, кислую, насыщенную кислородом или водородом среду, он начинает окисляться – ржаветь. Вместе с окислением металла происходит восстановление коррозионных элементов.

В результате на поверхности образуются оксиды, гидроксиды или соли металла. При дальнейшем воздействии окислительной среды металл полностью превращается в ржавчину.

Рис. 1. Ржавые металлические детали.

Коррозия поражает большинство металлов, в частности железо, которое используется для изготовления деталей, конструкций, корпусов машин и кораблей. Для продления срока службы в металлургии разработаны способы защиты металла от естественных повреждений. Специальные сплавы и покрытия отсрочивают возникновение коррозии на десятки лет.

Способы удаления коррозии

Если ржавчина уже появилась, удалить ее можно разными способами — механическим, химическим. Также можно воспользоваться народными средствами.

Ржавый замок (Фото: pixabay.com)

Механическая очистка

Подразумевает использование абразивных инструментов. Поврежденные части будут очищаться путем трения.

Щеткой по металлу

Представляет собой классическую ручную щетку со множеством металлических волокон, которыми происходит зачистка. Подходит для частичного удаления последствий коррозии.

Рекомендации

Советы:

1. На защите деталей лучше не экономить, и покрыть их резиновой или полимерной краской.
2. Перед использованием абразивов нужно попробовать удалить ржавчину щадящими составами.
3. Сложные коррозионные процессы можно останавливать с помощью агрессивных химикатов, но прежде чем их использовать, нужно изучить свойства состава, характеристики металла, чтобы предотвратить возможные негативные реакции.

Сразу после удаления ржавчины поверхности нужно покрыть защитным составом, чтобы снизить риск повторного распространения коррозии.

Коррозионные процессы могут быстро разрушить любой материал. Порча металлоконструкций в некоторых ситуациях может иметь катастрофические последствия. Изучив способы защиты от образования коррозии, нужно применить один из наиболее подходящих.

Определение коррозии

Коррозия — это постепенное разрушение объектов, обычно металлов, вызванное активной окружающей средой-электролитом и химической реакцией окисления.

Суть коррозионного процесса – наличие постоянно действующей анодной реакции. Она вызывается за счёт растворения металла, который генерирует электроны. Часть энергии активации дополнительно расходуется на другой процесс, называемый катодной реакцией. Эти два процесса уравновешивают произведенные заряды. Зоны, вызывающие эти процессы, могут быть расположены близко или далеко друг от друга, в зависимости от ситуации.

Электроны, генерируемые в процессе, должны потребляться посредством катодной реакции. Ионы водорода и электроны вступают в реакцию с образованием атомарного, а затем и газообразного водорода. Однако водород является сильнейшим восстановителем, поэтому дальнейшую коррозию можно предотвратить, создав на поверхности металла тонкую газовую плёнку. Она служит поляризатором, уменьшающим контакт металла с водой и уменьшающим коррозию. Таким образом, всё, что разрушает барьерную плёнку, увеличивает скорость коррозии.

Основными факторами, определяющими интенсивность процесса, являются:

• Скорость;
• Температура;
• Уровень возникающих механических и термических напряжений;
• Характер протекающих химических реакций.

Коррозия сдерживает внедрение в производство новых металлических материалов и причиняет значительный ущерб экономике.