close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

261.Ушаков И.И.Диагностика строительных конструкций

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
И.И. Ушаков, В.Я. Мищенко
ДИАГНОСТИКА
СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Коррозионные повреждения стальных строительных конструкций
Учебное пособие
Рекомендовано в качестве учебного пособия
редакционно-издательским советом
Воронежского государственного архитектурно-строительного
университета для студентов строительных специальностей
Воронеж 2011
УДК 624.011 07
ББК 38.5я73
У932
Рецензенты:
кафедра сопротивления материалов
Воронежской государственной лесотехнической академии;
Б.А. Бондарев, д. т. н., проф. кафедры «Строительные материалы
Липецкого государственного технического университета
Ушаков, И.И.
Диагностика строительных конструкций. Коррозионные повреждения
У932 стальных строительных конструкций: учеб. пособие для студ. строит.
спец. / И.И. Ушаков, В.Я. Мищенко; Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т. –
Воронеж, 2011.-69 с.
Рассмотрены основные проблемы проведения диагностики состояния
стальных строительных конструкций зданий и сооружений. Представлена
классификация коррозионных повреждений металлов в конструкциях от воздействия эксплуатационных сред. Даны современные представления об изменении прочностных и деформационных характеристиках металлов, а также
закономерности их разрушения от действия нагрузок и коррозионных сред.
Приведены некоторые характерные дефекты и повреждения отдельных элементов конструкций и основные способы защиты стальных конструкций от
коррозии.
Предназначено для студентов строительных специальностей, а также
для специалистов организаций занимающихся эксплуатацией зданий и сооружений.
Ил. 25. Табл. 9. Библиогр.: 39 назв.
УДК 624.011 07
ББК 38.5я73
ISBN 978-5-89040-360-5
© Ушаков И.И., 2011
© Воронежский государственный
архитектурно-строительный
университет, 2011
1
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................
3
Глава 1. СУЩНОСТЬ КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
В МЕТАЛЛАХ...................................................................................
4
1.1. Классификация коррозионных процессов.......................................
4
1.2. Механизмы коррозионных процессов. Химическая коррозия. .....
5
1.3. Электрохимическая коррозия............................................................
11
1.3.1. Механизм электрохимической коррозии в газах и парах
при низкой температуре................................................................. 13
1.3.2. Механизм электрохимической коррозии в электролитах............ 15
Глава 2. ВИДЫ КОРРОЗИИ ПО УСЛОВИЯМ ПРОТЕКАНИЯ
ПРОЦЕССА........................................................................................
2.1. Атмосферная коррозия...........................................................................
17
17
2.2. Грунтовая коррозия................................................................................. 22
2.3. Морская коррозия.................................................................................... 27
Глава 3. КЛАССИФИКАЦИЯ КОРРОЗИИ ПО ПРОЯВЛЕНИЮ..........
28
3.1. Сплошная или общая коррозия................................................................ 28
3.2. Местная коррозия.................................................................................... 31
Глава 4. ВЛИЯНИЕ КОРРОЗИОННЫХ СРЕД НА МЕХАНИЧЕСКИЕ
37
СВОЙСТВА СТАЛЕЙ.............................................................
Глава 5. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ КОРРОЗИИ И ПРИНЦИПЫ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ................................ 40
5.1. Рациональные формы сечений.............................................................. 40
5.2. Влияние вида соединений на коррозионную стойкость
элементов конструкций.........................................................................
5.3. Влияние вида стали на коррозионную стойкость элементов
конструкций............................................................................................
5.4. Оценка степени коррозионного повреждения металла
в конструкциях.....................................................................................
5.5. Методы защиты металлических конструкций от коррозии................
5.5.1. Методы изоляции конструкций от агрессивных сред.................
5.5.2. Электрохимическая защита............................................................
Заключение..................................................................................................
Библиографический список......................................................................
2
44
46
49
51
51
56
60
61
ВВЕДЕНИЕ
Диагностика – наука об установлении и изучении признаков, характеризующих состояние строительных конструкций зданий и сооружений, для
определения возможных отклонений и предотвращения нарушений нормального режима их эксплуатации.
Стальные строительные конструкции в процессе эксплуатации подвергаются самым разнообразным коррозионным воздействиям, среди которых
наиболее часто встречаются температурно-влажностные, химические и электрохимические. Несмотря на исключительно высокие конструкционные
свойства сталей их коррозионная стойкость не высока, что требует проведения квалифицированных мероприятий по их защите при проектировании,
возведении и эксплуатации.
Слово «коррозия» происходит от латинского слова «corrodere», что
значит «разъедать».
Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие физико-химического взаимодействия их с
окружающей средой. Средой, в которой происходит коррозия металлов,
обычно бывают различные жидкости и газы. Коррозия является самопроизвольным процессом разрушения металлов в отличие от не называемого коррозией преднамеренного разрушения металлов при их растворении в кислотах (с целью получения солей), в гальванических элементах (с целью получения постоянного электрического тока), при анодном растворении в электролизерах (с целью последующего катодного осаждения металла из раствора) и
т.п. Причина коррозии металлов – физико-химическое взаимодействие с окружающей средой. Следует разграничивать коррозионные процессы от процессов эрозии (механического разрушения металла при шлифовке или при
износе трущихся деталей).
Коррозионный процесс протекает на границе двух фаз: металл и окружающая среда, т.е. является гетерогенным процессом взаимодействия жидкой
или газообразной среды (или их окислительных компонентов) с металлом.
Коррозия металлов наносит большой ущерб хозяйству. Потери от коррозии металлов складываются из прямых и косвенных. Прямые потери складываются из стоимости изготовления металлических конструкций, пришедших в негодность вследствие коррозии, из безвозвратных потерь металла в
виде продуктов коррозии. К косвенным убыткам относятся расходы, связанные с отказом в работе металлических конструкций, стоимостью их ремонта,
убыткам от простоя зданий и сооружений, порчей продукции пищевых и химических производств вследствие загрязнения ее продуктами коррозии, увеличением расхода металла, обусловленным завышенными допусками на коррозию, и пр.
Расходы на защиту конструкций в ходе их возведения составляют около 1 % стоимости самого сооружения. Разработаны многие методы и средст-
3
ва защиты, правильное и повсеместное применение которых значительно
снизит потери от коррозии, намного повысят надёжность и долговечность
сооружений. Однако на практике нередко прибегают к упрощенной защите,
что влечёт за собой частую и дорогостоящую замену всей повреждённой
конструкции.
Все это указывает на большую важность изучения коррозионных процессов и планомерной эффективной борьбы с коррозией.
Защита стальных конструкций и инженерного оборудования от коррозии и разрушения с целью повышения их надежности и долговечности являются важной составной частью технической эксплуатации и ответственной
обязанностью работников эксплуатационных служб.
Глава 1. СУЩНОСТЬ КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В МЕТАЛЛАХ
1.1. Классификация коррозионных процессов
Характеристики и сущность коррозионных процессов. В зависимости
от характера реакций, протекающих на поверхности металлов вследствие
воздействия окружающей среды, коррозионные процессы могут иметь в своей основе химический или электрохимический механизмы. Принятое деление
коррозионных процессов на химические и электрохимические, разумеется,
является несколько условным и имеет смысл лишь в определенных границах.
Строго отделить один вид от другого трудно, а иногда и невозможно. В реальных условиях коррозия, протекавшая в начале по одному механизму, может затем перейти к другому (например, электрохимическая коррозия железа
в парах воды переходит в химическую, если процесс вести при высокой температуре). Однако разграничение коррозионных процессов по двум указанным механизмам протекания представляет формальные удобства при теоретическом и практическом рассмотрении вопросов коррозии.
В существующих классификациях коррозионных процессов за основу,
как правило, принимают три основных признака: механизм протекания процесса, характер коррозионного разрушения и вид коррозионной среды. Составленные в рамках выбранных признаков, эти классификации имеют очевидные ограничения: они не охватывают все разновидности коррозии (в них
не включаются виды коррозии, связанные с температурными условиями протекания процессов, со структурными особенностями металлов).
Все процессы коррозии можно разделить на 7 классов:
 1-класс-избирательная коррозия;
 2-щелевая;
 3-механохимическая;
 4-электрохимическая;
 5-химическая;
 6-биологическая;
4
 7-высокотемпературная.
Внутри каждого класса, в свою очередь, выделены наиболее характерные и часто встречающиеся виды коррозии: обесцинкование, графитизация,
межкристаллитная коррозия, питтинговая коррозия, коррозионное растрескивание под напряжением, щелочное и хлоридное растрескивание, водородное охрупчивание, коррозионная усталость, коррозия-эрозия, фреттингкоррозия, контактная коррозия, коррозия блуждающими токами, микробиологическая коррозия, высокотемпературное окисление и т. д.
Представим все виды коррозии металлов в виде схемы на рис. 1.1.
Виды коррозии
По сущности
протекания
процессов
Химическая
В газах и
парах при
высокой t
В газах и
парах при
низкой t
В неэлектолитах
По виду
агрессивной
среды
Жидкостная
Кислотная
Почвенная
Щёлочная
Солевая
Морская
Речная
Электрохимическая
Атмосферная
В
электролитах
Жидкостная
Контактная
Газовая
Почвенная или
подземная
Атмосферная
Электрокоррозия
Рис. 1.1. Виды коррозии металлических конструкций
1.2. Механизмы коррозионных процессов. Химическая коррозия
Химическая коррозия. Классификация коррозионных сред при химической коррозии. К химической коррозии относятся процессы, характеризующиеся непосредственным химическим взаимодействием между металлом и
агрессивной средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических (электродных) процессов на границе фаз, следствием чего является разрушение металла. Она основана на реакции между металлом и агрессивным
реагентом. Этот вид коррозии протекает в основном равномерно по всей поверхности металла. В связи с этим химическая коррозия менее опасна, чем
электрохимическая.
5
Среда, в которой металл подвергается коррозии (коррозирует) называется коррозионной или агрессивной средой. По степени воздействия на металлы коррозионные среды целесообразно разделить на: неагрессивные; слабоагрессивные; среднеагрессивные; сильноагрессивные.
Установлено, что коррозии железа способствует наличие в нём серы.
Античные предметы, изготовленные из железа, устойчивы к коррозии именно благодаря низкому содержанию в этом железе серы. Сера в железе обычно
содержится в виде сульфидов FeS и других соединенияй. В процессе коррозии сульфиды разлагаются с выделением сероводорода H2S, который является катализатором коррозии железа.
Механизм химической коррозии сводится к реактивной диффузии атомов или ионов металла сквозь постепенно утолщающуюся пленку продуктов
коррозии (например, окалины) и встречной диффузии атомов или ионов кислорода. По современным воззрениям этот процесс имеет ионноэлектронный механизм, аналогичный процессам электропроводности в ионных кристаллах.
Особенно разнообразные процессы химической коррозии встречаются
в различных производствах. В атмосфере водорода, метана и других углеводородов, оксида углерода (II), сероводорода, хлора, в среде кислот, а также в
расплавах солей и других веществ протекают специфические реакции с вовлечением материала аппаратов и агрегатов, в которых осуществляется химический процесс. Задача специалистов при конструировании реактора подобрать металл или сплав, который был бы наиболее устойчив к компонентам химического процесса.
Практически наиболее важным видом химической коррозии является
взаимодействие металла при высоких температурах с кислородом и другими
активными газообразными средами (HS, SO , галогены, водяные пары, CO).
Подобные процессы химической коррозии металлов при повышенных температурах носят также название газовой коррозии. Многие ответственные детали инженерных конструкций сильно разрушаются от газовой коррозии (лопатки газовых турбин, сопла ракетных двигателей, элементы электронагревателей, колосники, арматура печей). Большие потери от газовой коррозии
(угар металла) несет металлургическая промышленность. Стойкость против
газовой коррозии повышается при введении в состав сплава различных добавок (хрома, алюминия, кремния). Добавки алюминия, бериллия и магния к
меди повышают ее сопротивление газовой коррозии в окислительных средах.
Для защиты железных и стальных изделий от газовой коррозии поверхность
изделия покрывают алюминием (алитирование).
Примером химической коррозии служат ржавление железа и покрытие
патиной бронзы. В промышленном производстве металлы нередко нагреваются до высоких температур. В таких условиях химическая коррозия ускоряется. Многие знают, что на прокатке раскаленных кусков металла образуется
окалина. Это типичный продукт химической коррозии.
6
Химическая коррозия не сопровождается возникновением электрического тока. По химическому механизму действуют на металлы сухие газы
(воздух, продукты горения топлива) и жидкие неэлектролиты (бензин, нефть,
спирты, минеральные масла) при наличии в них коррозионно-активных составляющих. Коррозия металлов в газах (кислороде, хлоре, хлористом водороде, сероводороде) обычно наблюдается при высоких температурах.
В зависимости от характера взаимодействия металла и среды, свойств
продуктов коррозии и иных факторов химическая коррозия может протекать
по-разному. Например, скорость коррозии металла на воздухе с повышением
температуры изменяется по параболическому закону. Условие защитного
действия окисной пленки может быть выражено соотношением объёма окисла Vок к объёму металла Vм, израсходованного на образование пленки: если
оно больше единицы, то это значит, что плёнка тормозит процесс коррозии, а
если меньше,-то пленка рыхлая, со слабыми защитными свойствами, вследствие чего скорость коррозии возрастает. Значения для этого соотношения:
для Al к Al2O3-1,23; для Fe к Fe2O3 -2,14.
Химическая коррозия происходит в газах и парах при высокой температуре и проявляется в окислении. Химическая коррозия стали является следствием химической реакции, для протекания которой нужна влага, поэтому процесс коррозии развивается в зоне контакта плёнки влаги с поверхностью конструкций. Внутри помещений это связано с температурно-влажностным режимом, на открытом воздухе – с климатическими условиями района строительства. Влажностный режим внутри помещения делят на три группы по относительной влажности воздуха: до 60 %, от 61 до 75 % и свыше 75 %. Климатические условия определяют по зонам влажности (сухая, нормальная, влажная), которые приведены на карте в нормах (СНиП 11-3-79*).
Химическая реакция протекает более интенсивно, если в плёнке влаги
содержатся способствующие коррозии вещества, которые попадают в неё из
газов и аэрозолей окружающего воздуха или из отложений на поверхности
конструкций солей и пыли.
Установлено четыре группы агрессивных газов. Коррозионная активность газов при равной влажности воздуха возрастает от группы А к группе Д
(табл.1.1).
7
Таблица 1.1
Группы агрессивных газов
Наименование
Углекислый газ
Аммиак
Сернистый
ангидрит
Фтористый
водород
Сероводород
Оксиды азота
Хлор
Хлористый
водород
А
до 2000
До. 0,2
Концентрация, мг/м², для групп газов
В
С
св. 2000
0,2...20
св. 20
Д
-
до. 0,05
0,05...10
10...1000
200...1000
до. 0,05
0,05...5
5...10
10...100
до. 0,01
до. 0,1
до. 0,1
до. 0,05
0,01...5
0,1...5
0,1...1
0,05...5
5...100
5...25
1...5
5...10
св. 100
25...100
5... 10
10...100
Степень агрессивного воздействия солей и пыли зависит от их растворимости и от гигроскопичности. По этому признаку установлены три группы:
І - малорастворимые: силикаты, фосфаты и карбонаты магния, кальция,
бария, свинца. Оксиды и гидроксиды железа, хрома, алюминия, кремния;
ІІ - хорошо растворимые малогигроскопичные: хлориды и сульфаты
натрия, калия, аммония. Нитраты калия, бария, свинца, магния. Карбонаты
щелочных металлов;
ІІІ – хорошо растворимые гигроскопичные хлориды: кальция, магния,
алюминия, цинка, железа. Сульфаты магния, марганца, цинка, железа. Нитраты и нитриты натрия, калия, аммония. Все первичные фосфаты. Вторичный
фосфат натрия. Оксиды и гидроксиды натрия, калия.
Таким образом, степень агрессивного воздействия среды на конструкции определяются видом и концентрацией газов, наличием солей и аэрозолей
в воздухе, а также составом, растворимостью и гигроскопичностью твёрдых
пылевидных частиц. Есть ещё одно обстоятельство, влияющее на развитие
коррозионных процессов, это вид плёнки влаги.
Фазовая плёнка влаги вызывает более существенную коррозию, чем адсорбционная. Внутри отапливаемых помещений фазовая плёнка образуется
на ограждающих конструкциях, если возможно (в соответствии санитарными
нормами) образование конденсата. На открытом воздухе коррозия конструкций определяется продолжительностью воздействия фазовой плёнки влаги
(дождь, мокрый снег, роса), которая изменяется в зависимости от зон влажности. Продолжительность воздействия фазовой плёнки влаги на конструкции, расположенные под навесами, также зависит от климатических условий
(зоны влажности), хотя она меньше, чем на открытом воздухе (только туман,
роса, иней). Внутри не отапливаемых помещений условия несколько лучше,
чем под навесами, но не значительно, поэтому степень агрессивного воздей-
8
ствия среды на конструкции под навесами внутри не отапливаемых зданий
принимают одинаковой.
Для учёта всех перечисленных факторов вводят обобщенное понятие
агрессивности среды. По степени воздействия на строительные конструкции
среды разделяют на неагрессивные, слабоагрессивные, среднеагрессивные и
сильноагрессивные (табл. 1.2). Для каждой среды установлены способы защиты конструкций от коррозии.
Скорость химической коррозии. Скорость коррозии металлов и металлических покрытий в атмосферных условиях определяется комплексным
воздействием ряда факторов: наличием на поверхности фазовых и адсорбционных пленок влаги, загрязненностью воздуха коррозионно-агрессивными
веществами, изменением температуры воздуха и металла, образованием продуктов коррозии и т.п.
Оценка и расчет скорости коррозии должны основываться на учете
продолжительности и материальном коррозионном эффекте действия на металл наиболее агрессивных факторов. В зависимости от факторов, влияющих
на скорость коррозии, целесообразно следующее подразделение условий
эксплуатации металлов, подвергаемых атмосферной коррозии:
• закрытые помещения с внутренними источниками тепла и влаги (отапливаемые помещения);
• закрытые помещения без внутренних источников тепла и влаги (неотапливаемые помещения);
• открытая атмосфера.
Таблица 1.2
Степени агрессивного воздействия газообразных сред
на стальные конструкции
Влажность.
Зона
влажности
до 60 %
сухая
61…75 %
нормальная
свыше 75%
влажная
Группа
газов
А
В
С
Д
А
В
С
Д
А
В
С
Д
Внутри
Внутри
отапливаемых
неотапливаемых позданий
мещений
неагрессивная
неагрессивная
неагрессивная
слабоагрессивная
слабоагрессивная
среднеагрессивная
среднеагрессивная
среднеагрессивная
неагрессивная
слабоагрессивная
слабоагрессивная
среднеагрессивная
среднеагрессивная
среднеагрессивная
среднеагрессивная сильноагрессивная
слабоагрессивная
среднеагрессивная
среднеагрессивная
среднеагрессивная
среднеагрессивная сильноагрессивная
среднеагрессивная сильноагрессивная
9
На открытом воздухе
слабоагрессивная
слабоагрессивная
среднеагрессивная
среднеагрессивная
слабоагрессивная
среднеагрессивная
сильноагрессивная
сильноагрессивная
среднеагрессивная
среднеагрессивная
сильноагрессивная
сильноагрессивная
Таблица 1.3
Степени агрессивного воздействия твёрдых сред на стальные конструкции
Влажность.
Зона влажности
Внутри отапливаемых зданий
Внутри неотапливаемых помещений
На открытом воздухе
до 60 %
сухая
Группа газов
I
II
III
неагрессивная
неагрессивная
слабоагрессивная
неагрессивная
слабоагрессивная
слабоагрессивная
слабоагрессивная
слабоагрессивная
среднеагрессивная
61…75 %
нормальная
I
II
III
неагрессивная
слабоагрессивная
среднеагрессивная
неагрессивная
среднеагрессивная
среднеагрессивная
слабоагрессивная
слабоагрессивная
среднеагрессивная
свыше 75%
влажная
I
II
III
неагрессивная
слабоагрессивная
среднеагрессивная
слабоагрессивная
среднеагрессивная
среднеагрессивная
слабоагрессивная
среднеагрессивная
сильноагрессивна
Развитие коррозии во времени. Коррозия - процесс необратимый, т.е.
зависимость ее во времени имеет восходящий характер, без максимумов и
минимумов. Коррозия железа, цинка, сплавов алюминия в нейтральных растворах и в атмосфере, чаще всего вследствие образования защитной пленки
продуктов коррозии, с течением времени затухает.
Рис. 1.2. Зависимость скорости коррозии от температуры среды
10
Рис. 1.3. Диаграмма относительной влажности по Верону:
1 – коррозия стали в чистом воздухе;
2 – коррозия стали в воздухе с 0,01 % SO2;
3 - коррозия стали в пыльной среде с 0,01 % SO2
1.3. Электрохимическая коррозия
Электрохимическая коррозия, являющаяся следствием термодинамической неустойчивости металлов, заключается в самопроизвольном разрушении металлов в электролитических проводящих средах: водных растворах
электролитов, влажных газах, кислотах, расплавленных солях, щелочах и т.д.
Для электрохимической коррозии (в отличие от химической) характерны две
особенности: возникновение электрического тока в системе металл-раствор и
одновременное протекание двух сопряженных и независимых процессов
окислительного и восстановительного.
Электрохимическая коррозия - это процесс, связанный с перемещением
электрических зарядов в металле и окружающей среде, т.е. процесс сопровождается протеканием электрического тока.
В отличие от химической коррозии здесь происходят две группы реакций катодная и анодная.
Виды электрохимической коррозии. Разновидностями электрохимической коррозии являются:
• атмосферная коррозия, возникающая в результате воздействия влажного воздуха или газа на металл;
11
• жидкостная коррозия, возникающая в жидкостях, проводящих ток,
таких как морская вода, растворы кислот, щелочей и солей;
• контактная коррозия усиление коррозии металла при его контакте с
металлом, имеющим иной электрохимический потенциал;
• почвенная или подземная коррозия, возникающая на металлических
сооружениях уложенных в землю;
• электрокоррозия, возникающая под действием внешнего источника
тока или под действием блуждающих токов.
Механизм электрохимической коррозии. Коррозия металла в средах,
имеющих ионную проводимость, протекает через анодное окисление металла

M  ne  M n ,
и катодное восстановление окислителя (Ох)
Ox  ne  Re d .
Окислителями при коррозии служат молекулы кислорода О2, хлора Cl2,
ионы H+, Fe3+, NO3- и др.
Коррозия с участием кислорода называется коррозией с поглощением
кислорода (рис. 1.4). Коррозия с участием ионов водорода называется коррозией с выделением водорода (рис. 1.5).
Рис. 1.4. Схема коррозии стали при контакте с водой с поглощением кислорода
Рис. 1.5. Схема коррозии стали в растворе H2SO4 с выделением водорода
12
1.3.1. Механизм электрохимической коррозии в газах и парах
при низкой температуре
Для строительных конструкций, работающих в газовоздушной среде,
наиболее распространенный процесс, называемый кислородной деполяризацией. Особенностью реакции при этом являются малая растворимость кислорода в воде (около 0,008 г/мл) и возникающие диффузионные ограничения,
т.е. скорость коррозии, определяется интенсивностью доставки кислорода к
поверхности металла. Если бы деполяризация протекала непрерывно без ограничений, то процесс коррозии мог развиваться до полного растворения металла. В реальных условиях происходит значительное торможение процесса
в результате того, что потенциал изменяется, приближаясь к значениям потенциала анода. Это явление называется поляризацией. Основной причиной
поляризации является более медленное течение электрохимических реакций
по сравнению со скоростью отвода или притока электронов. Анодный и катодный процессы протекают независимо. Перетекание электричества осуществляется: в металле движение электронов от анодных участков к катодным,
а в растворе движением катионов от анодных участков к катодным и анионов
от катодных участков к анодным. Материальный эффект коррозионного разрушения металла проявляется в основном на анодных участках.
О кинетике коррозионного процесса принято судить по поляризационной диаграмме представляющей графическую зависимости между смещением потенциала электрода и плотностью протекающего через электрод тока.
Чем более крутые поляризационные кривые, тем большая поляризационность
у электрода, т.е. тем меньше скорости коррозионного процесса (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Поляризационные диаграммы коррозии металла
Пассивность металла (состояние относительно высокой коррозионной
стойкости) происходит при торможении анодной реакции ионизации металла
в определенной области потенциалов. Если металл находится в пассивном
состоянии, коррозионные процессы не развиваются. Пассивное состояние
13
металла, как правило, наступает при его контакте с некоторыми сильными
окислителями или в щелочных средах.
В парогазовой среде коррозия зависит от толщины пленки влаги на поверхности и состава атмосферы. В условиях низких значений относительной
влажности воздуха (до 40...50 %) пленка влаги, адсорбированная на поверхности, настолько тонкая, что, по существу, представляет переходное агрегатное состояние между твердым телом и жидкостью. А так как такая пленка не
является электролитом, то отсутствует одно из условий, необходимых для
протекания коррозии. Увеличение толщины пленки влаги на поверхности
происходит по мере увеличения относительной влажности воздуха. Когда ее
толщина порядка микрона и более, влага приобретает свойства «свободной
воды», т.е. становится электропроводной. Процесс начинает развиваться при
влажности воздуха около 70...75 % (рис. 1.7).
При наличии на поверхности металла видимой не вооруженным глазом
влаги (дождь, брызги, конденсат и т. д.), а также когда конструкции погружены в воду, наблюдается «мокрая коррозия». В этом случае происходит некоторое уменьшение скорости растворения металла ввиду уменьшения доставки кислорода к его поверхности.
Все виды коррозии часто переходят из одной формы в другую, однако
во всех случаях общая скорость определяется наличием на поверхности фазовой влаги и её составом.
Рис. 1.7.Увеличение скорости коррозии стали
с повышением влажности воздуха
Повышение температуры увеличивает скорость коррозионных процессов стальных конструкций, так как возрастает скорость диффузии кислорода
(как деполяризатора) к поверхности, а также продуктов коррозии от поверхности, увеличивается скорость электрохимических реакций.
14
Для стальных конструкций, эксплуатирующихся при отрицательных температурах, процесс коррозии приостанавливается, так как в отличие от воды лед
является диэлектриком, а поэтому не будет одного из необходимых
условий коррозионного процесса - пленки электролита на поверхности металла.
1.3.2. Механизм электрохимической коррозии в электролитах
В процессе электрохимической коррозии принимают участие металлы,
хорошо проводящие электрический ток за счет присутствия в них отрицательно заряженных частиц, так называемых свободных электронов, и электролиты – водные растворы солей, а также сама вода, проводящие электрический ток. Электропроводность обеспечивается за счет наличия в растворе
расщепленных частей молекул-ионов, одни из которых имеют положительный заряд (катионы), другие - отрицательный (анионы).
Следует отметить, что электрохимическая коррозия всегда возникает
на границе раздела металл-электролит и не зависит от природы электролита,
будет ли это чистая вода или расплавленная соль. Не имеет существенного
значения и количество электролита: в предельном случае это может быть
пленка влаги толщиной в несколько микрометров. Единственным условием
протекания электрохимической коррозии является возможность совмещения
на металлической поверхности анодной реакции ионизации металла и катодной реакции восстановления ионов или молекул.
По теории электрохимической коррозии металлический электрод, помещенный в раствор электролита, в месте соприкосновения с электролитом
отдает положительно заряженные ионы раствору, а свободные электроны остаются на металле. Вследствие этого прилегающий к электроду слой раствора заряжается - положительно, а электрод- отрицательно и между ними устанавливается разность потенциалов, величина, которой неодинакова для разных металлов.
Количественной оценкой способности металла к переходу в раствор в
виде ионов служат так называемые нормальные электродные потенциалы.
Нормальный электродный потенциал металла - это разность потенциалов между металлом, погруженным в раствор его собственной соли при нормальной температуре и давлении, и водородным электродом сравнения, собственный потенциал которого принимается равным нулю.
Нормальные потенциалы являются мерой энергии перехода катионов в
раствор. Чем отрицательнее потенциал металла, тем менее прочно он удерживает свои катионы и тем более он склонен к коррозии. Положительные
значения потенциалов указывают на коррозионную стойкость металлов, т.е.
металлы с положительным значением потенциала положительны по отношению к раствору и принимают из раствора положительные ионы.
При соединении электродов проводником за счет ЭДС по цепи потечет
электрический ток. В принципе, во внешней цепи нет никакого тока до тех
15
пор, пока ионы не получат возможность мигрировать через солевой раствор и
тем самым замыкать цепь. В противном случае окисление приостанавливается из-за накопления избыточного положительного заряда в анодном отделении и избыточного отрицательного заряда в катодном отделении.
Анодный процесс – возникновение некомпенсированных электронов
около анодных участков металла и гидратированных ионов металла в электролите или, другими словами, более отрицательный металл ионизируется,
то есть переходит в раствор в виде гидратированных (обводненных) положительно заряженных ионов, что условно можно представить формулой
M  mH 2 O  M  mH 2 O  ne,
где М – нейтральный металл; m – количество молекул воды;
М+-положительно заряженный ион металла, переходящий в раствор;
n – количество электронов, остающихся в металле.
Промежуточный процесс – перетекание избытка электронов по металлу от анодных участков к катодным и соответствующего перемещения катионов и анионов в электролите.
Катодный процесс – отбор электронов ионами или молекулами электролита (деполяризаторами). Например, электроны переходят к ионам водорода, и образуется водород 2Н++2е→Н2, который выходит из раствора в виде
пузырьков. Такой процесс называется коррозийным с водородной деполяризацией, а протекает он в кислых средах. В средах с присутствием кислорода и
малой концентрацией водородных ионов реакция у катода протекает с отдачей электронов кислороду, то есть О2+Н2О+4е→4ОН+2, и с превращением
его в ион гидрооксида.
Подобный процесс называют коррозионным процессом с кислородной
деполяризацией. При работе такого гальванического коррозионного элемента
анод непрерывно отдает ионы металла и разрушается; на катоде же ионы металла компенсируются электронами и разрушения катода не происходит.
Анодные и катодные процессы могут протекать даже на одних и тех же
участках поверхности, которые представляют в этом случае систему многочисленных пар. Анодный и катодный процессы протекают на поверхности
металла от наличия примесей, дефектов, кристаллической решётки, разности
температур отдельных участков. Сверхчистое железо намного меньше коррозирует по сравнению с обычным железом.
16
Глава 2. ВИДЫ КОРРОЗИИ ПО УСЛОВИЯМ ПРОТЕКАНИЯ
ПРОЦЕССА
В зависимости от условий протекания коррозионного процесса различают следующие виды коррозии: газовая, коррозию в неэлектролитах, атмосферную, коррозию в электролитах, грунтовую (почвенная), структурную,
коррозия внешним током, электрокоррозию, контактную, щелевую, коррозию под напряжением, коррозию при трении, коррозионную кавитацию, биологическую коррозию и др. В процессе эксплуатации несущие элементы разнообразных конструкций подвергаются действию коррозионной среды и
внутренних напряжений. Наличие внутренних напряжений в большинстве
случаев увеличивают скорость коррозии.
2.1. Атмосферная коррозия
Механизм и основные факторы атмосферной коррозии стали. Атмосферной коррозии подвержены все металлоконструкции, эксплуатируемые на
открытом воздухе (около 50 % от всего имеющегося металлофонда), а именно: трубопроводы и емкостное оборудование надземного расположения, металлические части строений, опор, мостов, транспортные и погрузочноразгрузочные средства. Поверхности конструкций при эксплуатации неизбежно подвергаются увлажнению и загрязнению, что является первопричиной возникновения и развития коррозионных процессов.
По механизму протекания данный вид коррозии в большинстве случаев
является электрохимическим процессом, за исключением «сухой» коррозии,
протекающей по химическому механизму. Электрохимический процесс подразумевает наличие на коррозирующей поверхности катодных и анодных
участков, а также электролита, роль которого выполняет пленка влаги (толщиной от нескольких молекулярных слоев до одного миллиметра), постоянно присутствующая на поверхности металла. Возникновение гальванических
элементов «катод-анод» на основных конструкционных материалах углеродистых сталях происходит из-за дифференциации их поверхности на участки
с различными электродными потенциалами (теория локальных коррозионных элементов).
Причины дифференциации могут быть различны:
• неоднородность структуры металла (в углеродистых сталях присутствуют фазы - феррит и цементит, структурные составляющие- перлит,
цементит и феррит, имеющие различные электродные потенциалы);
• наличие на поверхности сталей оксидных пленок, загрязнений, неметаллических включений и т.п.;
• неравномерное распределение окислителя на границе «металлэлектролит», например, различные влажность и аэрация на различных
участках поверхности металла;
17
• неравномерность распределения температуры;
• контакт разнородных металлов.
В настоящее время известно более тридцати пяти факторов, влияющих
на скорость атмосферной коррозии, основными из которых являются: степень увлажнения металла, состояние поверхности конструкции (пористость,
загрязненность), химический состав атмосферы (наличие гигроскопичных и
агрессивных продуктов).
По степени увлажнения коррозирующей поверхности различают:
• мокрую атмосферную коррозию при относительной влажности воздуха около 100 % и наличии на поверхности металла видимой пленки
влаги;
• влажную атмосферную коррозию при относительной влажности воздуха ниже 100 % и наличии на поверхности металла пленки влаги, образующейся в результате капиллярной, адсорбционной или химической
конденсации;
• сухую атмосферную коррозию при относительной влажности воздуха
менее 50 % и толщине пленки влаги до 10 нм.
Основной фактор, определяющий механизм и скорость атмосферной
коррозии, - степень увлажнения поверхности. На критическую влажность,
при которой конденсируется влага, влияют состояние поверхности металлоконструкций, состав атмосферы и температура электролита. Зависимость
скорости атмосферной коррозии от влажности воздуха представлена на рис.
2.1. Интенсивность атмосферной коррозии зависит от содержания влаги в
воздухе. Повышение относительной влажности воздуха до 70...75 % приводит к сравнительно небольшим потерям стали. При влажности, превышающей эти значения, наблюдается интенсивное ускорение процессов коррозии.
Загрязнение воздуха агрессивными продуктами такими, как СО2, S02, CI2,
H2S, дым и сажа, усиливает коррозию. Сталь, в течение нескольких лет подвергавшаяся воздействию промышленной атмосферы, имеет большие потери,
чем сталь в условиях сельской местности. Наиболее часто встречающимся на
практике типом коррозии стали является образование ржавчины под влиянием атмосферных воздействий (чаще всего кислорода и влажности). В сухом
атмосферном воздухе сталь практически не подвергается коррозии. Атмосферная коррозия носит электрохимический характер, причем электролитом
является слой влаги, имеющийся на поверхности металла.
Различие это достаточно условно, так как в практических условиях
возможен взаимный переход одного типа коррозии в другой. Загрязнение
воздушных сред и, как следствие, загрязнение поверхности конструкций агрессивными примесями происходит в результате функционирования объектов промышленности. В основном загрязнение поверхности конструкций
происходит из-за технического несовершенства узлов химического и другого
оборудования, негерметичности разъемных соединений, случайных проливов
18
технических жидкостей, разгерметизации коммуникаций, наличия микродефектов в металле и т.п.
Рис. 2.1. Зависимость скорости коррозии металлоконструкций
от относительной влажности воздушной среды
Загрязнения подразделяют на две группы: органического и неорганического происхождения. Первые попадают на поверхность извне, вторые могут
попадать извне и возникать в результате взаимодействия газов, загрязняющих атмосферу (оксиды серы и азота, хлор, хлористый водород и т.д.), с поверхностью металла. Примеси, способные растворяться в воде, активируют
электрохимическую реакцию вследствие образования разбавленных кислот и
увеличения электропроводности пленок влаги, а малорастворимые, рыхлые,
несплошные продукты коррозии создают условия для возникновения и работы макрогальванических пар. Помимо агрессивных газов в атмосфере могут
содержаться частицы твердых веществ и аэрозоли солей. Их источниками
могут служить разрушающиеся горные породы, солончаковые почвы, приморские зоны, имеющие повышенное содержание хлоридно-сульфатных натриевых солей. Также твердые частицы выделяются при сгорании различного
топлива, производстве цемента и удобрений. Частицы переносятся воздушными массами на расстояния до одной тысячи километров и, оседая на поверхности металла, становятся центрами конденсации влаги из воздуха.
Практически установлено, что скорость атмосферной коррозии в загрязненной различными газами и твердыми примесями атмосфере в десятки раз выше, чем в чистой.
Воздействия на металлы коррозионных атмосферных сред целесообразно разделить на:
• неагрессивные;
• слабоагрессивные;
19
• среднеагрессивные;
• сильноагрессивные.
Для определения степени агрессивности среды при атмосферной коррозии стали необходимо учитывать условия эксплуатации металлических конструкций зданий и сооружений. Степень агрессивности среды по отношению к
конструкциям внутри отапливаемых и неотапливаемых зданий, зданий без
стен и постоянно аэрируемых зданий определяется возможностью конденсации влаги, а также температурно-влажностным режимом и концентрацией газов и пыли внутри здания. Степень агрессивности среды по отношению к конструкциям на открытом воздухе, незащищенным от непосредственного попадания атмосферных осадков, определяется климатической зоной и концентрацией газов и пыли в воздухе. С учетом влияния метеорологических факторов и
агрессивности газов разработана I классификация степени агрессивности сред
по отношению к строительным металлическим конструкциям.
Для определения степени агрессивности среды при атмосферной коррозии необходимо учитывать условия эксплуатации металлических конструкций зданий и сооружений. Степень агрессивности среды по отношению к
конструкциям внутри отапливаемых и неотапливаемых зданий, зданий без
стен и постоянно аэрируемых зданий определяется возможностью конденсации влаги, а также температурно-влажностным режимом и концентрацией
газов и пыли внутри здания. Степень агрессивности среды по отношению к
конструкциям на открытом воздухе, незащищенным от непосредственного
попадания атмосферных осадков, определяется климатической зоной и концентрацией газов и пыли в воздухе. С учетом влияния метеорологических
факторов и агрессивности газов разработана классификация степени агрессивности сред по отношению к строительным металлическим конструкциям.
С учетом влияния метеорологических факторов и агрессивности газов разработана классификация степени агрессивности сред по отношению к строительным металлическим конструкциям, которые представлены в табл. 2.1.
Таким образом, защита металлических конструкций от атмосферной
коррозии определяется агрессивностью условий их эксплуатации. Наиболее
надежными защитными системами металлических конструкций являются
алюминиевые и цинковые покрытия.
Прогнозирование развития коррозии в атмосферных условиях ведётся
исходя из продолжительности воздействия влаги на металл за год в часах,
удельной интенсивности коррозии за 100 ч и коэффициента торможения коррозии её продуктами. Аналогично может быть оценена интенсивность коррозии и в помещениях при высокой влажности воздуха.
Коррозия может проявляться самым различным образом, причем не
только в зависимости от характера среды, но и в соответствии со свойствами
металлов и условиями эксплуатации конструкций. Различают следующие виды коррозии: равномерная и неравномерная.
20
Методы защиты от коррозии в атмосферных условиях осуществляются:
• снижением агрессивности среды;
• изоляцией металла от агрессивной среды.
Таблица 2.1
Степени агрессивности среды при атмосферной коррозии
Относительная
влажность внутри
помещений
и характеристика
климатической
зоны
60 %
сухая
61-75 %
сухая
Более 75 %
влажная
Степень агрессивности среды в зависимости
от условий эксплуатации конструкции
Внутри зданий
На открытом
воздухе
слабая
слабая
средняя
сильная
слабая
средняя
средняя
сильная
средняя
средняя
сильная
сильная
В условиях
периодической
конденсации
влаги
неагрессивная
слабая
средняя
средняя
слабая
средняя
средняя
сильная
слабая
средняя
сильная
сильная
Без конденсации влаги
неагрессивная
неагрессивная
слабая
средняя
неагрессивная
слабая
средняя
средняя
слабая
средняя
средняя
средняя
Снижение агрессивного воздействия среды эффективно при условии,
что среда замкнута и изолирована. Метод заключается в удалении агрессивных компонентов из воздуха помещений путём вентиляции или удалении из
воды в теплоэнергетических установках кислорода как агрессивного фактора
путём её аэрации и прекращения подпитки деаэрированной водой.
Изоляция металла от среды весьма распространена не только в атмосферных условиях, но и заглублённых сооружениях. Важно, чтобы при её
осуществлении слой изоляции был толстым и прочным, кислотощелочестойким. Однако выполнение такой изоляции дорого и сложно, поэтому всё чаще
используется полимерные и неорганические покрытия. Самые распространённые из них лакокрасочные; более 80 % металлических конструкций защищается именно такими покрытиями. Лаки и краски, хотя частично и проницаемы для воздуха и жидкостей, но широко применяются, потому что их
легко наносить и они придают конструкциям красивый вид.
В последнее время стали создавать в заводских условиях при изготовлении металлических конструкций металлическую подоснову под окрасочный состав из алюминия, цинка, наносимых газопламенным способом; это
увеличивает длительность службы покрытия и металла в 2 раза.
21
Широкое распространение получили также грунтовки на основе фенольных смол, фосфатирующие и эпоксидные грунтовки. Антикоррозийные
свойства грунтовок усиливаются введением в них таких пассивирующих
пигментов, как свинцовый сурик, цинковая пыль.
Для нанесения любого защитного покрытия металл зачищается до блеска и
не позднее чем через 4 часа на него наносится грунтовка, потом шпатлёвка,
затем краска, эмаль и сверху лак. Распространён способ защиты металлических конструкций без удаления продуктов коррозии, так как стоимость очистки и подготовки поверхности составляет около 40 % стоимости защитных
мероприятий.
Из условий пожарной безопасности требуется защита стальных конструкций специальной штукатуркой по сеткам с применением асбестоцементной или вермикулитовой защиты, гипсовой штукатурки или облицовки из
керамической плитки. В зависимости от класса огнестойкости назначается
толщина защитного слоя.
2.2. Грунтовая коррозия
Факторы, влияющие на коррозию. Разновидностью электрохимической
коррозии является грунтовая (почвенная) коррозия, т.е. разрушение подземных металлоконструкций почвенной средой. Основной вид такой коррозии разрушение металла в почвенной среде-электролите. Кроме того, в почве
может происходить коррозия, вызванная блуждающими токами и воздействием бактерий и т.д.
Эксплуатация многих металлических конструкций связана с их размещением под землей в почве и грунтах. В этих условиях при наличии химических реагентов, влаги и способности среды к ионной электропроводности,
протекают, как правило, процессы электрохимической коррозии.
Особенностью подземной коррозии является проявление ее в виде язв,
каверн, а часто в виде сквозного проржавления. Поэтому практически опасность подземной коррозии состоит не в коррозионных потерях металла, а в
возможности аварий конструкций вследствие локального характера разрушения. Грунтовые условия, в которых эксплуатируются металлические сооружения, весьма неодинаковы, поэтому скорость коррозии металлов в грунте
зависит от состава грунта, его влажности и воздухопроницаемости, аэрации,
а также некоторых других характеристик (электропроводности, рН грунта,
температуры и т. д.). Особенно существенно влияет на скорость подземной
коррозии влажность грунта.
Влияние характера грунтов на коррозию. Коррозионную активность
грунтов определяет пористость и степень аэрации, т. е. проницаемость влаги
и воздуха (кислорода) через почву. В почвах, обладающих окислительными
свойствами, т.е. большой аэрацией, весовые потери и глубина коррозии быстро уменьшаются во времени, достигая малых величин после относительно
22
небольшого периода эксплуатации конструкций. Высокая аэрация грунтов
обычно имеет место до горизонта грунтовых вод.
Типичной считается почвенная коррозия при участии кислорода воздуха. Участок, подвергающийся интенсивному воздействию кислорода, покрывается слоем окислов и становится катодом. Разрушение происходит там, где
затруднен доступ кислорода. Больше всего подвержены коррозии участки,
где концентрируются напряжения.
Коррозия под землей может протекать и без доступа кислорода воздуха
в анаэробных условиях под действием некоторых видов бактерий, главным
образом сульфатвосстанавливающих. Это так называемая микробиологическая коррозия стальных и чугунных элементов, заложенных в тяжелых глинистых грунтах, на болотах, в стоячих водах, где вследствие непроницаемости создаются анаэробные условия. Микроорганизмы способствуют активизации электрохимической коррозии, поглощая водород на катоде.
Влияние аэрации на коррозию проявляется как на аноде, так и на катоде местного коррозионного элемента. В слабо аэрируемых почвах кислород
расходуется на деполяризацию катодных участков. Если бы грунты вокруг
сооружений были однородны по составу, влажности, аэрации и другим показателям, то на отдельных участках сооружений не возникла бы разность
электродных потенциалов. В действительности же грунты неоднородны,
также неоднороден и металл конструкции, а поэтому между отдельными участками поверхности металлических подземных сооружений образуется разность электродных потенциалов. Неоднородность и является одной из главных причин коррозии металлов, так как делит их в конструкциях и изделиях
на анодные и катодные участки. Следует подчеркнуть, что скорость коррозии
стальных подземных конструкций зависит от состава металла, а также от характера грунтовой среды.
В песках воздухообмен лучше, чем в глинах. К верхним частям конструкций доступ воздуха больше, чем к заглубленным. Часть поверхности конструкции, получающая больше кислорода, становится катодом, а менее доступная кислороду - анодом, и разрушается. Именно образованием макропор
по длине и глубине сооружения объясняется значительная коррозия нижней
части заглубленных трубопроводов, в местах перехода их из глины в песок,
под холмами и т. п. При этом анодные участки и разрушения возникают там,
где меньше доступ кислорода.
Почвенная коррозия представляет в общем случае результат макро- и
микрокоррозионных процессов: микропоры обусловливают равномерную
коррозию и тем большую, чем больше аэрация; макрокоррозионные поры
имеют явно выраженный местный характер и на участках с меньшей аэрацией.
Влияние влаги и температуры грунтов на коррозию. Процесс коррозии
подземных металлических конструкций начинается только при наличии в
грунте влаги. Любые грунты даже в пустынных районах содержат некоторое
количество влаги, достаточное для возникновения коррозии.
23
Коррозия металла в грунте при разной его влажности протекает поразному. Слабая коррозия при малой влажности почвы объясняется малой
скоростью диффузии ионов у анода - поляризацией. Увеличение влажности
обеспечивает повышение скорости движения ионов и приводит к прекращению поляризация анода, т. е. развитию коррозии. Однако при избыточном
содержании влаги в почве прекращается доступ кислорода к металлу, и коррозия затухает. Как видно из графиков на рис. 2.2, наиболее интенсивная
коррозия происходит при сравнительно небольшой весовой влажности, примерно, от 10 до 20 %, причем эти границы для разных грунтов различны.
а)
б)
Рис. 2.2. Интенсивность коррозии в различных грунтах в зависимости от:
А - влажности; б - концентрации солей в электролите
Влияние кислотности и щелочности грунтов на коррозию. Коррозия в
зависимости от водородного показателя (рН) грунтов (рис. 2.3) рассматривается, прежде всего, в связи со стойкостью окисных пленок на поверхности
металла при воздействии на него окружающей среды. В этом отношении все
металлы делятся на три группы, (рис. 2.4).
Электропроводность грунтов и коррозия. По электропроводности или
по обратной величине - электрическому сопротивлению грунта ρ можно с
достаточной достоверностью судить о его коррозионной активности. При
этом соединяется воедино ряд таких важнейших в почвенной коррозии факторов, как влажность, наличие солей, величина водородного показателя рН.
Электропроводность грунта является важным показателем почвенной коррозии: при низкой электропроводности коррозия замедляется, а при разрыве
24
электрической цепи совсем прекращается, и, наоборот, при высокой электропроводности грунтов коррозия усиливается. В этой связи в СНиП все грунты
по коррозионной активности разделены на пять групп (табл. 2.2).
Рис. 2.3. Характеристика (рН) грунтовых вод и интенсивность
коррозии металлов
Рис. 2.4. Типичные зависимости интенсивности коррозии
отдельных групп металлов от рН:
а – благородных металлов; б – алюминия, цинка и др.;
в – железа, никеля, кадмия и др.
Таблица 2.2
Классификации грунтов по коррозионной активности для сталей
Группа
коррозийной
активности
грунтов
низкая
средняя
повышенная
высокая
Особо высокая
Удельное
электросопротивление
грунтов, Ом·м
Кажущееся
электросопротивление,
Ом м³/м
Ожидаемая
скорость коррозии,
мм/год
100
100-20
20-10
10-5
5-0
100
20-100
10-20
5-10
5
До 0,3
0,3-0,8
0,8-1,6
1,6-2,6
2,6
25
Оценка коррозионной опасности грунтовых вод начинается с визуального обследования строительной площадки или трассы; это не даёт количественных показателей, но позволяет составить представление о характере
площадки или трассы, особенностей грунтов и грунтовых вод, их загрязнённости, агрессивности. Величина и знак потенциала сооружения относительно
грунта определяется контактным способом с помощью вольтметра.
Коррозионная стойкость металлов в грунтах оценивается также по специальной шкале в зависимости от глубинного показателя скорости коррозии.
Для приближенной оценки коррозийной стойкости металлических конструкций в данной среде пользуются группами стойкости, а для более точной –
баллами. В инструкциях по эксплуатации сооружений приведены методы
защиты соответственно каждому баллу.
Методы защиты конструкции от почвенной коррозии делятся на три
группы.
К первой группе относится: снижение агрессивного действия среды,
отвод от сооружений (осушение местности), обработка почвы с целью нейтрализации агрессивности, обратная засыпка материалами.
Ко второй группе относятся: изоляция конструкций от агрессивной
среды, покрытие битумными и лакокрасочными составами, металлизация,
покрытие из рулонных материалов, облицовка бетоном и другими материалами.
К третьей группе относится: подавление и отвод коррозийных токов,
дренаж блуждающих токов, протекторная защита, катодная защита. Все методы подразделяются на ряд способов, связанных с использованием специальных материалов для защиты от воздействия внутренних факторов. Применение специальных коррозионностойких материалов для конструкций подземных сооружений ещё не получило достаточного развития. Для защиты
металлических конструкций от почвенной коррозии чаще всего служат покрытия на основе битумов и электрохимический метод.
Протекторная защита. При этом способе подземные конструкции защищаются электродами – протекторами, обладающими отрицательными потенциалами и выполняющими в паре с защитным сооружением роль анода.
Методика расчёта протекторной защиты гидроизоляции заглубленных сооружений и других подобных конструкций состоит в определении защитного
потенциала и плотности тока.
Протекторы обычно изготавливаются из магниевого сплава и создают
разность потенциалов до 1в. Они могут быть также цинковыми и алюминиевыми. Протекторы изготавливаются цилиндрическими или пластинчатыми.
Их соединяют с сооружением изолированным проводом через стальной сердечник, вставленный в протектор.
Число протекторов зависит от размера защищаемой поверхности. Протекторы набираются из типовых элементов. Для надёжного их контакта с грун-
26
том и устойчивой работы они размещаются в наполнителе (гипс, глина, сернокислый натрий или магний). Срок службы протектора составляет 10...15 лет.
Катодная защита осуществляется с помощью постоянного тока, подаваемого через погруженный в грунт электрод. При этом отрицательный электрод постоянного тока присоединяется к защитному сооружению – катоду, а
положительный к аноду. Сооружение поляризуется отрицательно, потенциал
его становится отрицательнее потенциала коррозийных анодных пар, и коррозия прекращается. При такой защите разрушается дополнительный электрод, с которого ток стекает в грунт. При этом коррозия не прекращается, а
лишь переносится на дополнительный элемент, который с течением времени
может быть заменён. Защищаемое сооружение не разрушается, так как является катодом.
Сравнение затрат на устройство и эксплуатацию протекторной и активной защит в расчёте на 10 лет показывает, что они примерно одинаковы.
Все указанные методы в той или иной степени изучались различными
исследователями. Наиболее эффективным методом оказалась защита изолирующими неметаллическими покрытиями.
2.3. Морская коррозия
Морская коррозия – одна из разновидностей коррозии металлов в естественных коррозионных средах. В морской воде коррозии подвержены оборудование и сооружения военно-морского, транспортного и промыслового
флотов, портов и предприятий судостроения, береговых электростанций и
опреснительных установок, морской добычи нефти, газа и полезных ископаемых. Условия морской коррозии различны в морской атмосфере выше зоны брызг и прибрежной полосы, в зоне брызг, зоне прилива, на малых глубинах (вблизи металлической поверхности и около берега), на глубинах континентального шельфа, на больших глубинах и в зонах ила.
Морская коррозия по своему механизму является электрохимической
коррозией. Морская вода представляет собой раствор многочисленных солей,
содержащий также живые и разлагающиеся биологические организмы, взвешенный ил и растворенные газы. Агрессивность морской воды обусловлена
содержанием кислорода и наличием в ней хлоридов металлов, препятствующих образованию достаточно эффективных защитных пленок. Коррозионные
процессы в такой среде сложнее, чем в искусственных растворах солей.
Характер и скорость морской коррозии определяются совокупностью
химических факторов (общая соленость, рН, концентрация растворенных газов, прежде всего, О2, H2S, SO2 и СО2, концентрации хлоридов, карбонатов,
сульфатов). Из физических факторов наибольшее влияние оказывают температура и давление, скорость движения воды или воздуха, наличие в воде ила,
твердых частиц, пузырьков воздуха. К биологическим факторам относят обрастание поверхности металлических конструкций бактериями, раститель-
27
ными или животными организмами, с чем может быть связано изменение у
поверхности рН, концентраций О2, H2S, СО2.
Коррозионные потери сплавов системы железо - медь в морской воде
оцениваются величиной скорости 1...3 г/м2·сутки. Влияние температуры,
концентрации воды и географического района и многих других факторов на
скорость морской коррозии изучено достаточно подробно, а результаты исследований приводятся во многих работах.
В морских условиях реализуются все известные типы коррозии. При
неправильном сочетании материалов в конструкциях развивается контактная
коррозия. Часты случаи щелевой коррозии в зазорах, под прокладками, шайбами, отложениями и т. п. Высокая концентрация хлорид-ионов обусловливает питтинговую и язвенную коррозию нержавеющих сталей и алюминиевых сплавов. При повышении температуры выше 80 °С многие нержавеющие
стали подвергаются коррозионному растрескиванию. Действие морской воды
приводит к снижению коррозионно-механической прочности конструкционных сталей, особенно при наличии H2S. При повышении предела текучести
сталей свыше 1200 Н/мм2 они чувствительны к коррозионному растрескиванию. Так же возможна гальваническая коррозия. Гальваническая коррозия процесс, который происходит, когда определенные металлы соединены и у
них имеется контакт с водой. Тогда поток электронов между этими двумя
металлами, заставляет наиболее химически активный металл разлагаться.
Это разложение известно как гальваническая коррозия. Для возникновения
коррозии необходимы четыре условия: два разнородных металла, связь между этими двумя металлами, электролит – вода.
Глава 3. КЛАССИФИКАЦИЯ КОРРОЗИИ ПО ПРОЯВЛЕНИЮ
3.1. Сплошная или общая коррозия
Сплошная коррозия охватывает всю поверхность металла и делится на
равномерную, неравномерную и избирательную.
Равномерная коррозия протекает примерно с одинаковой скоростью по
всей поверхности металла. Равномерная коррозия при визуальном наблюдении представляет собой сплошное равномерное разрушение всей поверхности металла. Она наиболее характерна для многих технически важных металлов, но является наименее опасной.
Неравномерная коррозия протекает с неодинаковой скоростью на различных участках поверхности металла (например, коррозия в морской воде)
подразделяется на несколько видов:
• коррозия пятнами (рис. 3.1, а)-микроскопическая, может быть установлена визуально. Отдельные пятна переходят в коррозионные язвы - глубокие раковины или впадины в металле. Во впадинах могут находиться твердые продукты коррозии, которые обладают защитными свойствами: напри-
28
мер, на углеродистых сталях - это ржавчина. Большинство стальных устройств, защищенных лакокрасочными покрытиями, подвержено коррозии
пятнами;
• точечная коррозия (рис. 3.1, б) характеризует наличие большего или
меньшего числа отдельных коррозионных точек. В процессе данного коррозионного разрушения существенно увеличивается его глубина. Эта коррозия
типична для коррозионно-стойких сталей, алюминия и его сплавов и т. д.;
а)
б)
в)
Рис. 3.1. Виды коррозии: а – язвенная; б – точечная; в – послойная
• послойную коррозию (рис. 3.1, в) можно обнаружить в металлах, подвергнутых пластической деформации. При неправильном способе прокатки
окислы запрессовываются в поверхность металла, и, поскольку обычно они
более устойчивы к коррозионному поражению, металл растворяется послойно в направлении предыдущей прокатки. К этому виду коррозии склонен
листовой материал из алюминиевых сплавов.
Неравномерная микроскопическая коррозия возможна на границе жидкости и металла при различной агрессивности жидкости и ее паров или в
почвах, подземном металлическом оборудовании, особенно при неравномерной структуре почв. Неравномерная микроскопическая структурная коррозия
в начальных стадиях может быть установлена в результате металлографических исследований. Она классифицируется следующим образом:
• межкристаллитная коррозия (рис. 3.2, а) типична для коррозионностойких сталей, проходит между кристаллами и поражает границы зерен.
Склонность к коррозии появляется при неправильной термической обработке
сталей, которые теряют прочность и вязкость. В первую очередь этот вид
коррозии проявляется в виде растрескивания поверхности, а затем и полного
распада. С точки зрения разрушения наиболее опасным местом сварных конструкций из аустенитных сталей является зона основного материала, прилегающая к металлу сварного шва. Так называемая ножевая коррозия напоминает по форме надрез ножом в узкой зоне на границе металла шва и основно-
29
го металла. Такая коррозия проявляется, прежде всего, в многослойном шве
или в сварном соединении, подвергнутом отжигу. Одна из главных причин
возникновения ножевой коррозии стабилизированных коррозионно-стойких
сталей - наличие дендритных карбидов титана на границах зерен после пережога и их коррозия в сильно агрессивных средах, например, в азотной кислоте. Применение низкоуглеродистой коррозионно-стойкой стали, с содержанием углерода около 0,03 %, не склонной к ножевой коррозии, позволяет
предотвратить коррозию;
• коррозионное растрескивание (рис. 3.2, б) характеризуется наличием
транскристаллитных и межкристаллитных трещин. Оно возникает в условиях
одновременного воздействия коррозионной среды и внешних или внутренних механических напряжений, существенно ускоряющих процесс коррозии.
Рис. 3.2. Виды неравномерной микроскопической структурной коррозии:
а – межкристаллитная; б-коррозионное растрескивание
Избирательная коррозия характеризуется разрушением определенной
структурной составляющей или одного из компонентов сплава, например,
латуни. В этом сплаве цинк является менее благородным элементом, и может
произойти его преимущественное растворение (обесцинкование). Сплав
обедняется цинком, а на поверхности образуется губчатый осадок меди.
Неравномерная коррозия наносит значительный ущерб строительным
конструкциям. Например, несколько коррозионных язв в металле могут быть
причиной замены или ремонта элемента. Если коррозия проникла вглубь металла (структурная, послойная), то металл теряет свои основные свойства
(прочность, вязкость и т.д.), что бывает причиной изъятия из эксплуатации
всей конструкции.
Фреттинг-коррозия возникает на контактирующих поверхностях деталей, совершающих относительно друг друга колебательное движение с малой
амплитудой при определенном давлении в условиях воздействия коррозионных сред. Коррозия нарушает требуемый допуск посадок. Она увеличивает
трение, а поврежденные места становятся очагами усталостных изломов.
Фреттинг-коррозия представляет собой процесс, в котором действуют со-
30
ставляющая механического изнашивания и химическая составляющая, т. е.
процесс образования и удаления пленки окисла на трущихся поверхностях.
Обе составляющие действуют одновременно и влияют друг на друга. Фреттинг-коррозия часто возникает в болтовых, заклепочных, шарнирных соединениях.
3.2. Местная коррозия
Местную коррозию, охватывающую лишь некоторые участки поверхности металла, разделяют на: коррозию пятнами, язвенную коррозию, точечную коррозию (питтинг), подповерхностную коррозию, нитевидную коррозию, межкристаллитную коррозию, транскристаллитную коррозию и ножевую коррозию.
Коррозия пятнами. Проявляется в виде отдельных пятен, когда диаметр поражения больше глубины. Разрушение на отдельных участках распространяется сравнительно неглубоко и занимает относительно большие
площади поверхности металла (рис. 3.3, а).
Язвенная коррозия. Характеризуется коррозионным разрушением,
имеющим вид раковины. Эти довольно глубокие сосредоточенные поражения металла распространяются на сравнительно ограниченных участках поверхности, а диаметр поражения примерно равен глубине проникновения. Ей
подвержены сплавы, легко пассивируемые в результате действия агрессивных ионов, присутствующих в инертных или слабокислых растворах. Коррозия этого типа начинается в местах со слабой окисной пленкой, где превышается минимальный потенциал (потенциал пробоя), лежащий в зоне пассивной
стали. Язвенная коррозия вызывается растворами нитрата аммония, хлористого натрия, хлорного железа, гипохлорита натрия, рассолом и морской
водой (рис. 3.3, б).
Точечная коррозия (питтинг). Если разрушение сосредоточено в отдельных точках (диаметр поражения меньше глубины проникновения), то это
точечная (питтинговая) коррозия, причем для листового металла эти поражения, как правило, переходят в сквозные. При питтинговой коррозии основное
коррозионное разрушение локализуется на отдельных небольших участках
металла (магний, алюминий, железо, никель, титан). Питтинговая коррозия
наблюдается обычно, когда основной металл находится в пассивном состоянии. Ионы – активаторы (Cl-, Br-, I-) адсорбируются в основном на участках
поверхности, где пленка оксида несовершенна (металлические или неметаллические включения, искажающие или нарушающие кристаллическую структуру
оксида). Точечная и язвенная коррозии особенно характерны в средах, содержащих хлорид-, бромид- или иодид- ионы, которые адсорбируются на отдельных участках металла. Также точечная и язвенная коррозии проявляются или в
области потенциалов, характеризующих переход из активного состояния в
31
пассивное, или в области высоких потенциалов, характеризующих переход из
пассивного состояния в состояние пробоя (рис. 3.3, в).
Подповерхностная коррозия. Разрушение, начинающееся на поверхности металла, а затем распространяющееся под поверхностью, называется
подповерхностной коррозией. Вследствие этого продукты коррозии оказываются сосредоточенными в некоторых областях внутри металла, что вызывает его вспучивание и расслоение (рис. 3.3, г).
Нитевидная коррозия. Для нитевидной коррозии характерно распространение коррозионного поражения в виде нитей преимущественно под неметаллическими защитными покрытиями металлов (рис. 3.3, д).
Межкристаллитная коррозия. Межкристаллитная коррозия характеризуется избирательным разрушением по границам кристаллитов (зерен) металлов. Этот вид коррозионного поражения особенно опасен тем, что металл
теряет прочностные и деформативные свойства без заметного изменения
внешнего вида поверхности изделия. Межкристаллитная коррозия присуща
многим металлам. Часть из них в напряженном состоянии особенно подвержена этому виду коррозии. В неоднородных металлах, которые встречаются
значительно чаще, коррозия носит местный характер, охватывая отдельные
участки его поверхности. Очаги местной коррозии являются концентраторами напряжений.
Особенно опасна межкристаллитная (МКК) коррозия, почти незаметная с поверхности и распространяющаяся в глубь металла по границам зерен. В результате межкристаллитной коррозии нарушается связь между зернами, при
постукивании по металлу пропадает характерный металлический звук и после приложения нагрузки металл легко разрушается. При одновременном
действии коррозионной среды и нагрузки или остаточных напряжений возникает коррозия под напряжением, проявляющаяся в виде коррозионного
растрескивания или сетки трещин на поверхности металла. К числу факторов, благоприятствующих развитию межкристаллитной коррозии, относятся:
• электролитная среда, способствующая межкристаллитной коррозии;
• структура стали, чувствительная к коррозии этого вида;
• наличие растягивающих напряжений в элементах конструкции;
• недостаточная герметичность защитных покрытий;
• повышенная температура (технологическая и влияния сварки).
Межкристаллитную коррозию инициируют растворы натриевого щелока, щелока с силикатом натрия, нитратов кальция, аммония и натрия, а также
морская вода. Межкристаллитной коррозии подвергаются, в частности, аустенитные хромоникелевые стали, подвергнутые провоцирующему обжигу.
Коррозия проявляется в определенных областях потенциалов и связана с выделением по границам карбидов хрома (Cr,Fe)23 C6 (рис. 3.3, ж). Межкристаллитная коррозия особенно опасна, так как ее очень трудно установить на
основе наружного осмотра элементов конструкции. Такая коррозия носит характер эскалации, когда скорость ее развития возрастает со временем. Тре-
32
щины развиваются незаметно до момента хрупкого разрушения, которое часто происходит при не слишком высоком уровне напряжений.
Рис.3.3. Характер коррозионных разрушений при местной коррозии
Чаще всего коррозионное растрескивание проявляется в высокопрочных сплавах. Стали прочностью менее 300 МПа редко подвергаются коррозионному растрескиванию, за исключением склонных к старению кипящих
малоуглеродистых сталей.
Транскристаллитная коррозия. В этом случае, когда разрушение распространяется вглубь металла по телу кристаллов, коррозию называют
транскристаллитной. Транскристаллитной называют коррозию в том случае,
когда разрушение распространяется вглубь металла по телу кристаллитов.
Зерна (дендриты), образующиеся в стальном слитке, могут иметь различную форму, размеры и ориентировку. Схема строения слитка спокойной
стали приведена на рис. 3.4. Структура слитка состоит из трех характерных
зон: наружной мелкозернистой зоны I, зоны столбчатых кристаллов II и зоны
равноосных кристаллов III.
После образования корковой зоны условия теплоотвода меняются,
температурный градиент в прилегающем слое жидкого металла падает и
снижается степень переохлаждения. В результате из сравнительно небольшого числа центров кристаллизации в направлении отвода тепла, т. е. перпендикулярно к стенке изложницы, начинают расти столбчатые кристаллы, образующие вторую зону. Развитие их в стороны сдерживается соседними дендритами.
33
Рис. 3.4. Строение слитка спокойной стали
Относительное распределение в объеме слитка столбчатой и равноосной зон очень важно. В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный,
но в местах их стыка он имеет малую прочность. Кристаллизация, при которой зоны столбчатых кристаллов стыкуются, называется транскристаллизацией. Для цветных металлов транскристаллизация полезна, так как металл
становится плотнее, учитывая его высокую пластичность, трещины при деформации не образуются. Транскристаллизация стали нежелательна, так как
на стыке двух кристаллов при деформации могут образоваться трещины.
Основными дефектами слитка являются усадочная раковина, пористость и ликвация. Усадочная пористость обычно образуется вблизи усадочной раковины и по оси слитка. Образование усадочной раковины и усадочной пористости обусловлено тем, что все металлы, кроме висмута, имеют в
твердом состоянии меньший удельный объем, чем в жидком. Коррозионное
растрескивание (см. рис. 3.2, б) характеризуется наличием транскристаллитных и межкристаллитных трещин. Оно возникает в условиях одновременного воздействия коррозионной среды и внешних или внутренних механических напряжений, существенно ускоряющих процесс коррозии.
Ножевая коррозия. Разновидностью межкристаллитной коррозии является ножевая коррозия. Это локализованная коррозия металлов, которая имеет характерное разрушение как бы надреза ножом около зоны, граничащей со
сварным швом. Склонность к коррозии появляется при неправильной термической обработке сталей, которые теряют прочность и вязкость. В первую
очередь этот вид коррозии проявляется в виде растрескивания поверхности, а
34
затем и полного распада. С точки зрения разрушения наиболее опасным местом сварных конструкций из аустенитных сталей является зона основного
материала, прилегающая к металлу сварного шва. Так называемая ножевая
коррозия напоминает по форме надрез ножом в узкой зоне на границе металла шва и основного металла. Такая коррозия проявляется, прежде всего, в
многослойном шве или в сварном соединении, подвергнутом отжигу. Одна
из главных причин возникновения ножевой коррозии стабилизированных
коррозионно-стойких сталей - наличие дендритных карбидов титана на границах зерен после пережога и их коррозия в сильно агрессивных средах, например, в азотной кислоте. Применение низкоуглеродистой коррозионностойкой стали, с содержанием углерода около 0,03 %, не склонной к ножевой
коррозии, позволяет предотвратить коррозию.
Особые виды коррозионного разрушения возникают при совместном
действии агрессивной среды и механических напряжений. Эти разрушения,
имеющие общее название «коррозии под напряжением», представляют особый интерес и потому будут рассмотрены отдельно.
Коррозия под статическим напряжением. На коррозионное растрескивание оказывают влияние и растягивающие напряжения, проявляющиеся в
резком ускорении процесса коррозии. При этом степень ускорения зависит от
величины напряжений. Как показывают исследования, толчок коррозионному растрескиванию дают пластические деформации; существенное влияние
оказывают и остаточные напряжения. При межкристаллитной коррозии в основании микротрещин наблюдается концентрация напряжений, ускоряющая
коррозионное растрескивание, оно характеризуется почти полным отсутствием пластической деформации металла. Трещины могут быть транскристаллитными, межкристаллитными и смешанными.
Коррозионному разрушению в напряженном состоянии в различной
степени подвержены почти все металлы и сплавы. Это один из опаснейших
видов повреждения оборудования в химической, нефтегазовой, теплоэнергетической и других отраслях промышленности. Коррозионное растрескивание
сталей может происходить в растворах, содержащих сероводород, аммиак,
диоксид углерода, нитраты, хлориды, кислоты и щелочи, в газообразном водороде, приморской и промышленной атмосфере (рис. 3.5).
Сплавы алюминия с цинком, медью, марганцем, магнием подвержены
коррозионному растрескиванию на воздухе, в растворах хлорида натрия,
морской воде. Магниевые сплавы в напряженном состоянии коррозируют в
растворах хлоридов, сульфатов, карбонатов, хроматов.
35
Рис. 3.5. Кривая коррозионного растрескивания стали
электрошлакового переплава в кипящем растворе KNO3
Сплавы меди с цинком, оловом, алюминием разрушаются в присутствии паров аммиака.
На склонность металлов к коррозионному растрескиванию существенно влияют технология выплавки, режим закалки и отжига, наличие примесей,
величина остаточных напряжений, технология сварки и пр.
Для оценки склонности материала к коррозионному растрескиванию
проводят испытания образцов в данной коррозионной среде:
• при постоянном растягивающем напряжении;
• при постоянной величине деформации или при постоянной скорости деформации.
36
Глава 4. ВЛИЯНИЕ КОРРОЗИОННЫХ СРЕД НА МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА СТАЛЕЙ
Для большинства конструкционных материалов эффект взаимодействия их со средой проявляется не только в поверхностном разрушении материала, но и в формировании такого состояния материала, которое определяет
его дальнейшее поведение, в том числе и разрушение. Результатом специфического воздействия агрессивных сред является, как правило, ухудшение
прочностных и деформационных характеристик металла вследствие сорбционных процессов (например, при наводораживании, межкристаллитной коррозии, радиационно-коррозионном воздействии среды и др.).
Пластичность. Эффект повышения напряжений вблизи коррозионных
язв приводит к снижению пластических свойств стали и дополнительному
увеличению хрупкости металла.
Исследования влияния язвенной коррозии на механические качества
стали свидетельствуют, что во всех без исключения случаях относительное
удлинение (ε) корродированных образцов составляет 60...90 % относительного удлинения новых образцов.
Снижение относительного удлинения следует объяснить перераспределением и концентрацией напряжений в металле от наличия коррозионных язвин. Коррозионная язвина в условиях нагружения приводит к возникновению
в прилегающей к ней зоне неоднородного поля напряжения. Вследствие появления поперечных напряжений в пластине возникает объемное напряженное состояние, достигающее при некоторых соотношениях глубины язвин и
толщины пластины существенного значения.
Предел текучести. Микроисследования показали, что в условиях естественной коррозии изменений структуры стали не происходит, и повышение
предела текучести (σу) от коррозии обусловлено влиянием коррозионных раковин, играющих роль надрезов в испытуемых образцах и вызывающих перераспределение напряжений в металле.
Предел текучести у изношенных образцов увеличивается на 2...27 %,
причем большей глубине коррозионных поражений соответствует больший
предел текучести.
Для выяснения влияния коррозионного износа на предел текучести (σу)
выразим предел текучести (σух) корродированного образца через предел текучести гладкого образца, выполненного из той же стали.
Обозначив (σуz) предел текучести гладкого образца, определенный по
испытанию на простое растяжение, определим обобщенное напряжение, отвечающее началу текучести корродированного образца, по соотношению
σук = γσуz,
37
где γ - коэффициент жесткости, представляющий собой отношение обобщенного напряжения, вызывающего отрыв, к напряжению, вызывающему текучесть.
Отсюда следует, что в случае коррозионного износа увеличивается жесткость напряженного состояния. Вследствие этого предел текучести, выраженный через наибольшее растягивающее напряжение, должен повышаться.
Прочность. Механические испытания образцов, подвергшихся коррозии, показали, что при относительно небольших по глубине коррозионных
раковинах предел прочности (σуч) у таких образцов выше, чем у гладких.
Изменение предела прочности (σуч) следует объяснять перераспределением и концентрацией напряжений в металле от наличия коррозионных язвин.
Условный предел прочности корродированного образца определяется
наибольшей силой Рmax и номинальным поперечным сечением образца, т.е.
σпчк = Рmax / Fн. Для достаточно пластичных материалов справедливо соотношение σпчк > σпч , при недостаточной пластичности разрушение наступает в
начальных стадиях ее развития: в этом случае σпчк < σпч.
Концентраторы, увеличивая сопротивление пластической деформации,
всегда способствуют уменьшению ее предельных характеристик. Поэтому
действие коррозионных язвенных повреждений (как концентраторов) нужно
отнести к факторам, способствующим переходу металла в хрупкое состояние. В момент разрыва пластического корродированного металла достигается
более высокий уровень σпчк, чем при гладком образце, в результате преобладания объемности напряженного состояния при достаточной пластичности в
зоне коррозионных язвин.
Таким образом, σпч и σу корродированного образца в зависимости от запаса пластичности металла могут быть выше или ниже подобных характеристик прочности гладкого образца. Однако повышение σпчк или σух под влиянием коррозионного износа не служит признаком увеличения прочности и,
наоборот, повышает опасность разрушения, так как сам по себе металл при
появлении концентратора напряжений не приобретает никаких новых
свойств, изменяется только его напряженное состояние.
Процесс наводораживания сталей. Водород - самый легкий газ, поэтому он быстрее других газов проникает, диффундирует через тонкие отверстия, что совершается по закону обратной пропорциональности с корнем
квадратным из плотности газа.
В природе свободный водород встречается крайне редко. В виде соединений водород очень распространен. Водород может быть отделен от кислорода действием веществ, отнимающих от воды кислород. К такого рода веществам относятся:
• щелочные металлы, действующие на воду при обыкновенной температуре весьма энергично;
• железо и цинк при накаливании в струе пара и при обыкновенной
температуре, если разлагаемая вода содержит в растворе кислоту, лучше всего серную;
38
• алюминий, цинк и некоторые другие при действии на крепкие растворы едких щелочей;
• уголь при накаливании в струе водяного пара дает так называемый
водяной газ, который содержит 50-60 % водорода.
Водород проникает через некоторые металлы при возвышенной температуре и притом гораздо легче многих других газов, что находится, очевидно,
в связи с его способностью соединяться с металлами.
При производстве стали, происходит растворение водорода в жидком
железе. Влияние легирующих элементов на растворимость водорода в жидком железе количественно описывается коэффициентом активности (fR).
Гидрообразующие элементы (Zr, Ti, Nb, V, Ce) увеличивают растворимость
водорода. Элементы, не образующие гидридов (Ni, Mo, Mn, Co, Cr), слабо
влияют на растворимость. Группа элементов (С, Si, P, Al и др.) уменьшают
растворимость водорода, что связано с сильным взаимодействием между
атомами железа и легирующей добавкой.
Влияние содержания водорода на механические свойства сталей. Пластичность. Водород, присутствующий в стали, влияет на ее эксплуатационные свойства и приводит к водородному охрупчиванию стали. Под водородным охрупчиванием подразумевают снижение пластических свойств металла, наблюдаемое в определенных условиях в присутствии водорода в стали.
Отрицательное влияние водорода проявляется при его содержании более 1...2
см3 в 100 г и с дальнейшим повышением концентрации пластичность и сопротивление металла разрушению пропорционально снижаются. При 1...10
см3/ г пластичность металла минимальна. С ростом концентрации водорода
изменяется характер разрушения образца от вязкого к типично хрупкому
(разрушение сколом).
Водородное охрупчивание наблюдается только в температурном интервале от минус 374 К до плюс 374 К и уменьшается с повышением скорости деформации. В результате проникновения водорода относительное удлинение и поперечное сужение φ снижаются. При этом φ снижается более интенсивно, чем ε.
Исследования зависимости относительного удлинения от времени выдержки при постоянной нагрузке (σ =75 н/мм2) показали, что скорость ползучести в водороде при температурах 700 и 800 оС увеличивается после 12...15
ч испытания.
Согласно результатам многочисленных исследований, влияние наводороживания на характер и степень изменения механических свойств стали зависит от её исходных свойств. Наблюдается следующая закономерность:
мягкие (пластичные) стали в результате наводороживания резко снижают относительное удлинение и поперечное сужение, для высокопрочных сталей
характерно значительное снижение предела прочности.
39
Предел текучести. Высокотемпературное наводороживание низкоуглеродистой стали приводит к полному исчезновению площадки текучести и
понижению предела текучести.
Высокотемпературное наводороживание приводит к понижению предела текучести и полному исчезновению площадки текучести (кривая 2, рис.
4.2). Последующий отпуск частично восстанавливает площадку текучести
стали, но величина предела текучести остается меньше исходного значения.
В ряде случаев последующая нормализация в вакууме полностью восстанавливает площадку текучести, однако предел текучести восстанавливается
лишь частично.
Прочность. Снижение предела прочности стали на растяжение в результате наводороживания в сероводородных растворах, происходит тем
сильнее, чем выше исходная прочность металла.
Технологическая операция закалки стали снижает её пластичность в
сероводородсодержащей среде (например, под воздействием раствора H2S).
На рисунке отражена графическая зависимость величины снижения
предела прочности стали (0,43 % С, 0,89 % Мn) после выдержки в течение
200 ч в насыщенном сероводородном растворе щавелекислого калия от исходной прочности металла.
Глава 5. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ КОРРОЗИИ И ПРИНЦИПЫ
ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
5.1. Рациональные формы сечений
Выбор рациональной формы сечения, как и марок сталей, является одним из определяющих условий повышения долговечности отдельных элементов и конструкций в целом. Распределение коррозии элементов разных
форм в силу различных условий их увлажнения, запыленности, обтекания
воздушными струями, продолжительности нахождения на поверхности образующейся пленки влаги, степени экранирования будет неодинаковым. Имеет
место большая неравномерность коррозии, существенное различие коррозионного износа отдельных участков по периметру сечения.
На основании многочисленных теоретических и экспериментальных
исследований доказано, что характер коррозионного разрушения определяется условиями взаимодействия агрессивной среды и конструктивной формы.
Увеличение степени агрессивности воздействий на элементы конструкций предъявляет возрастающие требования к показателям долговечности.
Распределение коррозии по периметру сечения стальных профилей. На
рис. 5.1 приведены результаты лабораторных испытаний во влажной камере
ряда характерных сечений элементов на коррозионный износ при одинаковых условиях воздействия среды.
40
Рис. 5.1. Распределение коррозии по периметру сечения стальных профилей
(лабораторные испытания):
цифры обозначают потери веса пластинок коррозии в граммах
Наиболее благоприятными с точки зрения меньшего коррозионного износа и большей равномерности коррозии являются сечения слитные, гладкие
в виде круглых и прямоугольных труб. Худшие показатели у сечений из
уголков и швеллеров со щелями, Н-образных профилей, где горизонтальная
стенка постоянно увлажнена. Из рисунка видно, что степень неравномерности в распределении коррозии достигает 10 единиц. Слитные сечения, не
имеющие участков, в которых скапливается и длительно задерживается влага, частицы соли и пыль, коррозируют более равномерно.
Переходя от традиционных типов сечений сквозных конструкций из
двух уголков к трубчатым, коробчатым, монолитным тавровым и даже к сечениям из одиночных уголков, можно уменьшить коррозионный износ более
чем в 2 раза.
Коррозионная стойкость сечений. Неравномерный характер коррозионного разрушения определяется показателями слитности и обтекаемости.
Устойчивость конструктивной формы против коррозии характеризует
коэффициент слитности β:
β = А/0,383·Р,
где А – площадь сечения; Р – наружный периметр, подвергающейся воздействию коррозионной среды; 0,383 – коэффициент устойчивости против коррозии уголков толщиной 8 мм, принятый за 1.
Изменение коэффициента слитности сечения β для различных типов
сечений конструктивных элементов показано на рис. 5.2.
41
Рис. 5.2. Устойчивость конструктивных форм против коррозии
Расчет коэффициентов β произведен из условия компоновки элементов
с одинаковой площадью сечения. Увеличение показателя слитности свидетельствует о повышении коррозионной стойкости при прочих равных условиях. Скорость коррозии конструктивных элементов, как следует из табл. 5.1,
зависит от скорости испарения влаги при обтекании элементов воздухом.
Коррозионную стойкость сечений можно оценить через относительный
коэффициент К0 (в качестве эталона принято трубчатое сечение):
К0 = υi max / υтруб. max ,
где υi max–максимальная скорость коррозии какого-либо из рассматриваемых
сечений; υтруб. max–максимальная скорость коррозии круглого трубчатого сечения.
Результаты сравнения стойкости рассмотренных типов сечений приведены на рис. 5.2. Коэффициент К0 = 1,0…1,9 показывает на существенное
различие в их коррозионной стойкости.
42
Рис. 5.2. Относительные коэффициенты коррозионной стойкости сечений
Из диаграммы видно, что более равномерный характер распространения коррозии по периметру у обтекаемых сечений. Наиболее обтекаемым является круглое трубчатое сечение; продолжительность образования пленки
влаги на его поверхности при обтекании воздушными струями минимальная.
Рациональное конструирование должно предотвращать возможность
скопления на поверхности конструкций атмосферной влаги, конденсата, производственной пыли и жидких агрессивных выделений.
Таблица 5.1
Показатели коррозионной стойкости конструктивных элементов
Профиль
Скорость коррозии
во влажной камере,
мм/год
Относительная
коррозионная
стойкость
Относительная
скорость испарения
влаги при обтекании
воздухом
0,112
1
1
0,127
1,13
1,15
0,13
1,16
1,3
43
Окончание табл.5.1
0,131
1,17
1,23
0,142
1,27
1,23
0,146
1,3
1,46
0,152
1,35
2,23
0,174
1,55
1,4
0,179
1,6
1,23
0,199
1,8
1,9
0,213
1,9
1,6
Образование застойных зон в виде пазух, карманов и узких щелей затрудняет удаление загрязнений и способствует развитию местной коррозии.
5.2. Влияние вида соединений на коррозионную стойкость
Неплотное прилегание сопряженных элементов, создание конструктивных зазоров вызывает различные появления щелевой коррозии. Следует
поэтому избегать соединений внахлёстку (рис.5.3, а), либо их тщательно
герметизировать за счёт дополнительных прокладок и двусторонних сплошных сварных швов (рис. 5.3, б). Степень опасности коррозионного разрушения возрастает при уменьшении жесткости стыка, поэтому болтовые соединения, особенно на высокопрочных болтах, более устойчивы против щелевой
коррозии, чем заклёпочные.
44
Рис. 5.3. Влияние вида соединения конструктивных элементов
на коррозионную стойкость:
а – соединения, способствующие щелевой коррозии;
б - конструктивные меры по снижению опасности щелевой коррозии;
1 – прокладка; в – предотвращение контактной коррозии в соединении:
1 – алюминий; 2 – сталь; 3 – изоляционный вкладыш
Для предотвращения коррозионного растрескивания не допускается проектировать стальные конструкции с соединениями на
высокопрочных болтах из стали марки 30Х3МФ и заклёпках из
стали 09Г2 для зданий и сооружений в слабоагрессивных средах,
содержащих сернистый ангидрид или среднеагрессивными и сильноагрессивными средами.
Возникновение контактной коррозии между сварным швом и
основным металлом предотвращается правильным назначением
материалов для сварки в зависимости от марки стали и степени агрессивности среды (табл. 5.2).
45
Таблица 5.2
Материалы для сварки стальных конструкций в агрессивных средах,
соответствующие маркам низкоуглеродистой стали
Степень
Агрессивного
воздействия
среды
Марки стали
10ХНДП
Слабоагрессивная
Средне- и сильноагрессивная
Марки материалов для сварки
Сварочной проволоки
Покрытых
В углекислом
электродов
Под флюсом
газе
Св-08х1ДЮ
ППВ-5К*
ОЗС-18
Св-10НМА
10ХДП
10ХСНД
15ХСНД
Св 08ХМ
Св-10НМА
Св-08ХМ
10ХСНД
15ХСНД
Св-10НМА.
Св-08ХМ
Св-08х1ДЮ,
Св-10НМА,
Св-08ХМ,
Св-10Г2,
Св-10ГА,
Св-08ГА
10ХНДП
10ХДП
09Г2С
10Г2С1
18Г2АФпс,
16Г2АФ
15Г2АФДпс
14Г2АФ
12ГН2МФАЮ
12Г2ОМФ
Св-08ХГН2МЮ
Св-08ХГ2СДЮ
Св-08ХГ2СДЮ
Св-08ХГ2СДЮ
ОЗС-24
АН-Х7, ОСН-3
Э138-45Н
Э138-50Н**
Св-08ХГ2СДЮ
Св-08Г2С
Св-08Г2СЦ
АН-Х7, ВСН3,, Э138-45Н,
ОЗС-24,
Э138-50Н,
ОЗС-18
УОНИ13/55
Св-08Г2С
Св08Г2СЦ
Св-10ХГ2СМА
УОНИ13/65
Св-10ХГ2СМА
Любые типа
Э70
5.3. Влияние вида стали на коррозионную стойкость
элементов конструкций
Стали обычной прочности (σу <29 кН/см²). К этой группе относят низкоуглеродистые стали (С235…С285) различной степени раскисления, поставляемые в горячекатаном состоянии. Обладая относительно небольшой
прочностью, эти стали очень пластичны, хорошо свариваемы. Коррозионная
стойкость средняя, поэтому конструкции, выполненные из сталей обычной
прочности, следует защищать с помощью лакокрасочных и других покрытий.
Стали повышенной прочности. (29 кН/см² < σу < 40 кН/см²) получают
либо введением при выплавке стали легирующих добавок (марганца, кремния, никеля или хрома) (С345… С 390), либо термоупрочнением низкоуглеродистой стали (С245Т). Стали повышенной прочности несколько хуже свариваются. По коррозионной стойкости большинство сталей этой группы
близки к низкоуглеродистым сталям. Более высокой коррозионной стойко-
46
стью обладают стали с повышенным содержанием меди (С245Д, С375Д,
С390Д).
Атмосферостойкие стали. Для повышения коррозионной стойкости
металлических конструкций применяют низколегированные стали, содержащие в небольшом количестве (доли процента) такие элементы, как хром, никель и медь.
В конструкциях, подвергающихся атмосферным воздействиям, весьма
эффективны стали с добавками фосфора (С345к). На поверхности таких сталей образуется тонкая оксидная пленка, обладающая достаточной прочностью и защищающая сталь от развития коррозии. Однако свариваемость стали при наличие фосфора ухудшается. Применение стали С345к рекомендуют
при толщинах не более 10 мм.
В конструкциях, совмещающих несущие и ограждающие функции (например, мембранные покрытия), широко используют тонколистовой прокат.
Для повышения долговечности таких конструкций целесообразно применение нержавеющей хромистой стали марки 0Х18Т1Ф2, не содержащей никеля. Свойства тонколистового проката (особенно толщиной до 2 мм) позволяет применять его в конструкции при расчетных температурах до -40 ˚С.
Рекомендации по рациональному проектированию элементов и конструкций с повышенной коррозионной стойкостью. Рекомендации основаны на
требованиях норм по защите конструкций от коррозии и примерах, осуществленных и запроектированных конструкций. Принятие окончательного решения должно обосновываться с учетом требований конструктивнотехнологических, экономических, эксплуатационных и др. Эти рекомендации
сводятся к следующим положениям:
• отказ от компоновки сечений с образованием щелей при эксплуатации
в средах с большими газовыделениями, пылеотложениями и высокой влажностью. Нормы запрещают применение металлических конструкций с тавровыми (двутавровыми из швеллеров) сечениями из двух и крестовыми из четырех уголков, с незамкнутыми прямоугольными сечениями в сооружениях с
сильно- и среднеагрессивными средами. Это относится прежде всего к элементам покрытий. Примеры конструкций с повышенной коррозионной стойкостью показаны на рис. 5.4;
• применение трубчатых сечений (рис. 5.4, е, д). Это особенно выгодно
при больших пролетах и шагах ферм;
• применение сплошностенных элементов без мест и участков скопления пыли, влаги. При большой запыленности может быть приемлема двухстенчатая балка (рис. 5.4, и). Меньшее скопление пыли отмечается в двутавровых балках и колоннах в вариантах, показанных на рис. 5.4, к – м. Целесообразно предусматривать просверливание отверстий в швеллерах, расположенных горизонтально полками вверх, а также вырез в элементах баз колонн
для стока воды из замкнутых отсеков;
47
• компоновки сечений без острых углов, ребер, труднодоступных участков, отказ от прерывистых сварных швов. В варианте сечения с закругленными кромками (рис. 5.4, р) по данным лабораторных испытаний (с жестким режимом), разрушение покрытий (эмаль ХВ-785) начинается только через 131
день, в то время как при острых кромках – через 62 дня. Строжка кромок в
двутавровой балке (рис. 5.4, с) повышает стойкость покрытия почти в два раза;
• использование принципа концентрации материалов, совмещения
функций. Нормы регламентируют шаг колонн и стропильных ферм в зданиях
для производств со средне- и сильноагрессивными средами 12 м и более. Соблюдение этого принципа на примере типовых стропильных ферм из обычных
спаренных уголков показывает, что коррозионная стойкость при увеличении
пролета с 18 до 36 м возрастает в 1,6 раза, а при увеличении шага - в 1,3 раза.
Компоновка ферм с более мощными сечениями является прямым путем повышения долговечности, так как ведет к снижению поверхностного контакта
конструкции с агрессивной средой и уменьшению стоимости защиты.
Рис. 5.4. Схемы возможных конструктивных решений стальных элементов
с повышенной коррозионной стойкостью
48
5.4. Оценка степени коррозионного повреждения металла в конструкциях
Изменение массы образцов. Коррозионные потери массы образца Δm
определяются для оценки равномерной коррозии по формуле
Δm=( mо- m1)/S ,
где mо - первоначальная масса образца, г; m1-масса образца после удаления
продуктов коррозии, г; S поверхностность образца, м2.
Также изменение массы образцов можно охарактеризовать весовым
показателем коррозии
km= Δm/S tи ,
где Δm – потери или прибыль массы; S – площадь поверхности образца;
tи – продолжительность испытаний.
Исследуемый образец взвешивается до испытания, а затем после испытания и удаления с него продуктов коррозии. Полученная разность представляет собой количество окислившегося металла. Если продукты коррозии
прочно держатся на поверхности металла, то скорость коррозии характеризуется увеличением массы. В этом случае повторно образец взвешивается с
продуктами коррозии.
Для оценки коррозионной стойкости металлов по потере массы применяется пятибалльная шкала, приведенная в табл. 5.2.
Глубина коррозионных поражений стали. Уменьшение толщины
стальных образцов или глубина коррозионных поражений h1(мм) при условии равномерной коррозии составляет
h1= Δm/ρ 10-3 ,
где ρ - плотность металла.
При неравномерной коррозии производится оценка глубины коррозионных поражений
P=h2/h1 ,
где Р коэффициент питтингообразования; h2 - глубина коррозионных поражений при неравномерной коррозии.
Глубинный показатель коррозии
kh=h/tи ,
где h – глубина (средняя или максимальная) коррозионного разрушения металла; tи – продолжительность испытаний.
49
Таблица 5.2
Классификация коррозионной стойкости металлов по потере массы
Пятибалльная шкала
Группа стойкости
Потеря массы
г/(м2 ч)
Весьма стойкий
Стойкий
Сравнительно стойкий
Малостойкий
Нестойкий
<0,1
0,1...1
1...3
3...10
>10
Балл
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Десятибалльная шкала
Скорость
Группа стойкости
коррозии,
мм/год
Совершенно стойкий
<0,001
Весьма стойкий
0,001...0,005
Стойкий
0,001...0,01
0,01...0,05
Сравнительно стойкий
0,01...0,1
0,1...0,5
Понижено стойкий
0,1...1
1...5
Малостойкий
1...10
Нестойкий
>10
Изменение объема образцов. Объемный показатель коррозии можно
определить по формуле
kv=Vг /S tи ,
где Vг – объем выделившихся или поглощенных газов; S – площадь поверхности образца; tи – продолжительность испытаний.
Скорость коррозионного разрушения. Скорость коррозионного разрушения К, г/(м2 год), вычисляется по формуле
K=( mо- m1)/Sτ ,
Пересчет потери массы металла на проницаемость П (потери при взвешивании образца до и после испытаний), мм/год, выполняется в соответствие
с уравнением
П=К*8,76/ ρ ,
где ρ – плотность испытуемого металла, г/см3.
Изменение механических свойств образцов. Изменения механических
свойств контролируют с помощью характеристик временного сопротивления
и относительного удлинения. Показатель коррозионной стойкости по изменению временного сопротивления Kσв, % рассчитывается по формуле
Kσв =(σво-σв1)./ σво 100% ,
50
где σво и σв1-временные сопротивления образцов до и после коррозионных
испытаний.
Оценка коррозионной стойкости по изменению относительного удлинения Кδ выполняется аналогичным образом:
Кδ=(δо-δ1)/ δо 100% ,
где δо и δ1-относительное удлинение образца соответственно до и после испытания.
Если в процессе коррозии уменьшается сечение образца, образуются
трещины, расслоения или протекает межкристаллическая коррозия, то стойкость металла Кω характеризуют по относительному изменению электросопротивления
Кω= (Rо- R1)/ Rо ,
где Rо, R1 - электросопротивление образцов до и после испытания.
5.5. Методы защиты металлических конструкций от коррозии
Классификация методов защиты металлоконструкций от коррозии.
Разумеется можно придать металлу повышенную коррозионную стойкость при изготовлении, например, легированием, но такой металл получается очень дорогим, ибо легирующие присадки дефицитны и дороги. Поэтому в
строительстве используется обычная сталь, которую приходится защищать
от коррозии уже в изделиях.
Различают методы защиты от коррозии конструкций, работающих в
атмосферных условиях, и конструкций, находящихся в почвенной среде, т.е.
в заглубленных сооружениях, а так же прочие методы для некоторых ранее
перечисленных условий эксплуатации. Каждый такой метод объединяет
большую группу способов. Выбор способа и его реализация зависят от всестороннего учёта ряда факторов, характеризующих как металл и конструкцию из него, так и агрессивную среду, условия протекания коррозионного
процесса. Часто бывает так, что единственно возможен только один вполне
определённый способ.
Классификация методов защиты металлических конструкций от коррозии приведена в табл. 5.3.
5.5.1. Методы изоляции конструкций от агрессивных сред
Изоляция металла от среды. Защита конструкций от атмосферной коррозии осуществляется изоляцией металла от действия агрессивной среды.
51
Таблица 5.3
Этот метод весьма распространён не только в атмосферных условиях,
но и в заглубленных сооружениях. Изоляция металла от среды может производиться следующими способами:
Нанесением лакокрасочных покрытий. В практике проведения антикоррозионных работ наиболее распространены лакокрасочные покрытия на органической основе благодаря низкой стоимости материалов (в настоящее время
более 80 % металлоконструкций защищаются именно такими покрытиями).
Лакокрасочное покрытие состоит из ряда последовательно нанесённых
слоев грунтовки, шпаклёвки, краски и лака (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Структура лакокрасочного покрытия:
1-металл, 2-шпаклёвка, 3 – грунтовка, 4 – краска, 5 – лак
52
Лаки, краски, а также различные смазки, хотя частично и проницаемы
для воздуха и жидкостей, но широко применяются также потому, что их просто наносить и они придают конструкциям красивый внешний вид.
Для нанесения любого защитного покрытия металл зачищается до блеска и не позже чем в течение четырёх часов на него наносятся грунтовка, потом шпаклёвка, далее краска, эмаль и сверху лак с перерывами для высыхания каждого слоя.
Основными требованиями к покрытию являются: хорошая адгезия, непроницаемость к агрессивным средам, долговечность, технологичность проведения повторной окраски, экономичность с учётом срока эксплуатации.
Законченное покрытие должно быть сплошным, ровным, без наплывов
и подтёков. Прочность сцепления его с поверхностью проверяется следующим образом: лезвием делают взаимно перпендикулярные надрезы до основания, причём плёнка не должна при этом отслаиваться и крошиться. Толщина её проверяется электромагнитными щупами и толщиномерами.
Работы по нанесению покрытий должны вестись со строгим соблюдением
правил техники безопасности.
Покрытие металлами. Широко распространённым способом защиты
металлов от коррозии является покрытие их слоем других металлов. Покрывающие металлы сами коррозируют с малой скоростью, так как покрываются
плотной оксидной плёнкой. Покрывающий слой наносят различными методами: горячее покрытие (кратковременное погружение в ванну с расплавленным
металлом), гальваническое покрытие (электроосаждение из водных растворов
электролитов), металлизация (напыление), диффузионное покрытие (обработка порошками при повышенной температуре в специальном барабане).
В производстве широко используется химическое нанесение металлических покрытий на изделия. Процесс химического металлирования является
каталитическим или автокаталитическим, а катализатором является поверхность изделия. Используемый раствор содержит соединение наносимого металла и восстановитель. Поскольку катализатором является поверхность изделия, выделение металла происходит именно на ней, а не в объёме раствора.
В настоящее время разработаны методы химического покрытия металлических изделий никелем, кобальтом, железом, палладием, платиной, медью, золотом, серебром, родием, рутением и некоторыми сплавами на основе этих
металлов. В качестве восстановителей используют гипофосфит и боргидрид
натрия, формальдегид, гидразин.
В повседневной жизни человек чаще всего встречается с покрытиями
железа цинком и оловом. Листовое железо, покрытое цинком, называют
оцинкованным железом, а покрытое оловом называют белой жестью.
Металлические покрытия защищают конструкции от коррозии при сохранении сплошности. При нарушении покрывающего слоя коррозия изделия протекает даже более интенсивно, чем без покрытия. Это объясняется
работой гальванического элемента железо металл. Трещины и царапины за-
53
полняются влагой, в результате чего образуются растворы, ионные процессы
в которых облегчают протекание коррозионного процесса.
Металлические покрытия дорогие из-за большой дефицитности исходных материалов и способа защиты (напыление, гальванический способ и
т.д.). Однако при анализе вариантов защиты следует учитывать, что в промышленной (среднеагрессивной) атмосфере слой цинка толщиной 50...200 мк
обеспечивает сохранность защитного покрытия до 50 лет. Такой срок службы
металлизационного покрытия практически без возобновления позволяет снизить эксплуатационные затраты по сравнению с лакокрасочным покрытием.
В особо агрессивных средах хорошие результаты даёт алюминиевое покрытие в комбинации с лакокрасочным.
Применение ингибиторов. Применение ингибиторов один из самых
эффективных способов борьбы с коррозией металлов в различных агрессивных средах. Ингибиторы это вещества, способные в малых количествах замедлять протекание химических процессов или останавливать их. Ингибиторы, добавленные в окрасочный состав или использованные для пропитки
обёрточной бумаги, в восемь-десять раз продлевают срок службы металла, а
потому их считают химической бронёй металлов. Добавление ингибиторов в
агрессивную среду, например, кислоту позволяет хранить её в металлических
ёмкостях. Обёртывание ингибированной бумагой удобно тем, что на распаковку изделий и приведение их в рабочее состояние затрачивается минимум
сил и средств. Наиболее часто применяются следующие ингибиторы: нитрит
натрия, добавляемый, например, к холодильным соляным растворам, фосфаты и силикаты натрия, бихромат натрия, различные органические амины,
сульфоокись бензила, крахмал, танин и т. п. Поскольку ингибиторы со временем расходуются, они периодически должны добавляться в агрессивную
среду.
Эффективность действия ингибиторов зависит в основном от условий
среды, поэтому универсальных ингибиторов нет. Для их выбора требуется
проведение исследований и испытаний.
Использование цементных покрытий. Для защиты стальных водяных
труб от коррозии используют цементные покрытия. Поскольку коэффициенты теплового расширения портландцемента и стали близки, то он довольно
широко применяется для этих целей. Недостатком портландцементных покрытий является высокая чувствительность к механическим ударам.
Способы подготовки поверхности и нанесения защитных покрытий.
Большое, порой определяющее, влияние на эффективность противокоррозионной защиты оказывает качество подготовки поверхности. Выбор конкретного способа подготовки поверхности зависит от места проведения работ (на
заводе или в условиях строительно-монтажной площадки), сложности конфигурации изделия или конструкции, возможности остановки производства
(при повторных окрасках) и др.
54
Основными способами подготовки поверхности под защитные поверхности являются:
-механическая очистка дробеструйная, пескоструйная, дробемётная,
гидропескоструйная, а также металлическими щётками с пневматическим
или электрическим приводом;
-химическая очистка с помощью травильных паст (выделяют следующие способы: фосфатирование, пассивация, анодирование);
-термическая очистка пламенем ацетилено-кислородной горелки или
паяльной лампы. Значительные объёмы работ по очистке пока ещё выполняются вручную стальными щётками. В случаях незначительной коррозии и
малой запылённости можно использовать приём закрепления и преобразования ржавчины на поверхности.
Производство работ по нанесению лакокрасочных покрытий предполагает использование следующих механизированных способов: пневматическое распыление; безвоздушное распыление с подогревом или без подогрева
краски; нанесение покрытия в электростатическом поле высокого напряжения; нанесение покрытия окунанием и струйным обливом с выдержкой в парах растворителя; с помощью напорных окрасочных валиков. Применяется
часто и ручная окраска кистями. Способ нанесения защитных покрытий выбирается с учётом производственных факторов таких, как условия выполнения работ, их объём, тип обрабатываемых поверхностей и их конфигурация,
вид и свойство применяемого материала и др. Наиболее эффективен способ
безвоздушного распыления, отличающийся небольшим туманообразованием,
малыми потерями краски и использованием материалов повышенной вязкости. Весьма эффективна окраска в электрическом поле, позволяющая экономично использовать лакокрасочные материалы (применение такого способа
требует наличия стационарной установки на заводе).
Способ защиты без удаления продуктов коррозии. В последние годы
получил распространение способ защиты металлов без проведения мероприятий по удалению продуктов коррозии. Этот способ основан на растворении продуктов коррозии. Предложено несколько составов грунтовкипреобразователя ржавчины для защиты стальных конструкций от коррозии.
Так, например, давно известная мастика Назаровой, которая состоит из
160 весовых частей (в. ч.) ортофосфорной (фосфорной) кислоты, 20 в. ч. жёлтой кровяной соли, 56 в. ч. эпоксидной смолы и 24 в. ч. толуола. При этом
ржавчина, вступая в реакцию с кислотой и кровяной солью, превращается в
нерастворимые фосфаты и берлинскую лазурь, которая связывается эпоксидной смолой. Толуол является разжижителем и в дальнейшем испаряется.
Защита от почвенной коррозии. Методы защиты конструкций от почвенной коррозии подразделяются на ряд методов, связанных с использованием специальных материалов для защиты от воздействия внутренних факторов, а также на три группы методов, обеспечивающих защиту от воздействия
внешних факторов. Использование специальных коррозионно-стойких мате-
55
риалов (например, полимербетонов) для конструкций подземных сооружений
ещё не получило достаточного развития. Для защиты металлических конструкций от почвенной коррозии чаще всего применяются покрытия на основе
битумов и электрохимическая защита.
Защитные битумные покрытия. Защитные битумные покрытия бывают трёх типов: нормальные, усиленные и весьма усиленные. Защита подземных конструкций покрытиями на основе битумов, как показал опыт эксплуатации, недостаточна. Действительно, первое время такие покрытия обладают
воздухо- и водонепроницаемостью и надёжно изолируют конструкции от
внешне агрессивной среды. Однако в дальнейшем под влиянием грунтовой
воды, кислорода воздуха, температурных деформаций конструкции и иных
факторов как на сооружение в целом, так и на защитное покрытие нарушается его герметичность, открывается доступ электролита к конструкции и начинается электрохимическая коррозия. Из этого следует вывод, что защита от
почвенной коррозии должна предусматриваться с более полным учётом воздействия всех факторов почвенной среды и работы самого защитного покрытия. Там же, где это не учитывалось в процессе строительства, должны быть
приняты меры в ходе эксплуатации с целью повышения надёжности сооружений и увеличения сроков их службы.
5.5.2. Электрохимическая защита
Развитие коррозии предотвращается электрохимической защитой, которая строится на основе теории многоэлектродных систем. Сущность такой
защиты состоит в том, что защищаемая конструкция подвергается или катодной поляризации от специально установленных анодов из более активного
металла, или поляризации наложенной, постоянным током от внешнего источника. Для прекращения почвенной коррозии надо, чтобы разность между
катодным и анодным участками конструкции равнялась нулю, или чтобы
электросопротивление протеканию тока коррозионного элемента (за счёт
изоляции) было очень большим. Чтобы сделать разность потенциалов равной
нулю, необходимо довести катодную поляризацию сооружения до общего
потенциала, равного начальному потенциалу анодного участка.
В подобных условиях на всей поверхности защищаемой конструкции
протекают лишь катодные процессы, и она перестаёт коррозировать. Потенциал, при котором прекращается коррозия, называют защитным потенциалом, а плотность тока, обеспечивающую сдвиг потенциала до защитного,защитной плотностью тока. Всё это достигается одним из двух способов:
протекторной или катодной (активной) защитой. Сравнение затрат на устройство и эксплуатацию протекторной и катодной защит в расчёте на десять
лет показывает, что они примерно одинаковы.
Электрохимическая защита металлоконструкций от почвенной коррозии производится с учётом характеристики грунтов, срока службы сооруже-
56
ния и других факторов, в том числе наличия в зоне защищаемого сооружения
блуждающих токов.
Протекторная защита. Протекторная защита (рис. 5.6) подземных
конструкций от коррозии осуществляется электродами протекторами, обладающими большими отрицательными потенциалами и выполняющими в паре с защищаемым сооружением роль анода.
Рис. 5.6. Принципиальная схема (а) и примеры (б и в) протекторной защиты
заглубленных сооружений:
1-конструкция (анод); 2-протектор (дополнительный анод); К1-катодная зона;
A1-анодная зона конструкции; 3-проводник;
4-металлоизоляция; 5-анод; 6-наполнитель
Протекторы изготавливаются обычно из магниевого сплава и создают
разность потенциалов до 1 В; они могут быть из цинка и реже из алюминия.
Протекторы выполняются цилиндрическими или пластинчатыми. С сооружением они соединяются изолированным проводом через стальной сердечник, вставленный в протектор.
Методика расчёта протекторной защиты стальных трубопроводов и
гидроизоляции объёмных сооружений различна, но во всех случаях основным её содержанием является определение защитного потенциала, защитной
плотности тока, напряжения источника тока и мощности установки катодной
защиты. Мощность последней возрастает при росте рН грунта, но снижается
при уменьшении удельного сопротивления грунта и повышении сопротивления защитного покрытия конструкции.
Число протекторов п, необходимое для защиты данной конструкции,
зависит от размеров защищаемой поверхности S , минимальной защитной
плотности тока j (jCT=0,016 А/м), коэффициента к, характеризующего защищённость конструкции, величины тока протектора в данной среде in и определяется по формуле
n = k*j*S/iu .
57
Число протекторов может быть определено и по заранее составленным
графикам в зависимости от удельного сопротивления грунта р и от рН грунта
(рис. 5.7). С увеличением р, а также и рН грунта количество потребных протекторов увеличивается. Протекторную защиту целесообразно осуществлять
при удельном сопротивлении грунтов не более 60 Ом·м и в грунтах с кислой
реакцией. Продолжительность работы протектора в годах вычисляется по
формуле
T = 0,114-(M-g-D/in) ,
где М - масса протектора, кг; g - электрохимический эквивалент материала
протектора, А·ч/кг; in - защитный ток (A) в цепи «протектор - сооружение»;
D - КПД протектора.
Полученное по расчёту или по графикам (рис. 5.7) число стандартных
протекторов набирается из типовых элементов. Для лучшего контакта протектора с грунтом и устойчивой работы они размещаются в наполнителе, в
качестве которого используются гипс, сернокислый натрий или магний. Срок
службы протекторов составляет 10...15 лет.
Катодная защита. Катодная защита (рис. 5.8) осуществляется посредством постоянного тока, подаваемого через погруженный в грунт электрод
(анодное заземление). При этом отрицательный электрод источника постоянного тока присоединяется к защищаемому сооружению-катоду, а положительный к аноду. Сооружение поляризуется отрицательно.
Рис. 5.7. Зависимость числа протекторов от удельного сопротивления грунта
(а) и от кислотной характеристики (б)
58
а)
Рис. 5.8. Принципиальная схема (а) и пример (б) катодной защиты
подземной конструкции
Потенциал его становится отрицательнее потенциала коррозионных
анодных пар, и ток коррозии прекращается. При такой защите разрушается
от коррозии дополнительный электрод, с которого ток стекает в грунт. В качестве электрода (анода) используются рельсы, трубы и т.п.
В сущности, при электрохимической защите подземных конструкций
от почвенной коррозии она не прекращается, а лишь переносится на дополнительный элемент анод, который разрушается и с течением времени может
быть заменён новым. Защищаемое сооружение при этом является катодом и
не разрушается.
Электрохимическая защита металлических конструкций (сооружений)
от почвенной коррозии решается с учётом характеристики как самого сооружения, так и среды, в которой оно находится. При этом учитываются назначение и срок службы сооружения, расположение его на местности, геологопочвенные и климатические условия, наличие на конструкции пассивных
средств защиты от коррозии, а также наличие в зоне расположения сооружения блуждающих токов.
Необходимость катодной защиты от коррозии определяется показателем В, вычисляемым по формуле
В = Т-(δо-δi/vk) ,
где vk - средняя скорость коррозии, мм/год; Т установленный срок службы
конструкции (сооружения), годы; δо и δ1 - толщины металлоконструкции в
начале и в конце срока эксплуатации сооружения, мм. При этом δ1 определяется, исходя из прочности конструкции (гидроизоляции подземного сооружения) и принимается не менее 2 мм. Если В < 0, то электрохимическая защита не требуется, а при В>0 она обязательна.
59
Расчёт катодной защиты предусматривает определение: площади
внешней поверхности, например, гидроизоляции подземного сооружения;
площади сечения арматуры железобетонной конструкции, защищаемой изоляцией; силы тока, необходимой для защиты сооружения; сопротивления току растекания анодного заземления; напряжения и мощности катодной станции защиты.
Несмотря на значительное различие в коррозионной стойкости строительных сталей разных марок, пока нельзя обойтись без защиты конструкций. Крайнее разнообразие агрессивных сред, меняющихся во времени в
процессе эксплуатации конструкций, делает необходимым и экономически
оправданным защиту последних от коррозионного износа. Лишь в немногих
случаях, в слабоагрессивных средах, нормы разрешают эксплуатацию отдельных конструкций без специальной защиты поверхности. В перспективе,
когда более доступными станут алюминиевые и легированные сплавы, когда
появятся новые, «нержавеющие» стали с наличием в их составе «электроположительных металлов» (например, палладия), объёмы строительных конструкций, не требующих дополнительных мер защиты, очевидно, будут возрастать.
Итак, к настоящему времени благодаря изучению механизма коррозии
разработаны разнообразные методы защиты от коррозии, выбор которых определяется природой защищаемого металла, параметрами коррозионной среды и экономическими соображениями.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Повышение надежности и долговечности стальных строительных конструкций связано с рассмотрением широкого круга технических и экономических задач, теоретическая и практическая значимость которых приобретает
все большее значение. Реконструкция и техническое перевооружение действующих предприятий на современном этапе стало ведущим направлением
повышения эффективности инвестиций. К сожалению, технический прогресс
все более связан с использованием коррозионно-активных технологических
сред по отношению к строительным конструкциям.
Своей конечной практической целью диагностика коррозионных повреждений металлических конструкций имеет оценку влияния имеющихся
повреждений на эксплуатационные свойства несущих конструкций и создание условий, препятствующих возникновению и развитию коррозионных повреждений.
Знание физико-технических основ коррозионных процессов применительно к эксплуатирующимся строительным конструкциям позволит будущему инженеру строителю осознанно и своевременно проводить мероприятия по
исключению или снижению вредного воздействия эксплуатационных сред.
60
Приведенные в учебном пособии сведения также могут служить фундаментальной информационной базой для инженеров, занимающихся проектированием, строительством или эксплуатацией зданий и сооружений, которую можно эффективно применять в сложных ситуациях.
Библиографический список
1. Ажогин, Ф.Ф. Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей / Ф.Ф. Ажогин.— М.: Металлургия, 1974. — 256 с.
2. Андреев И.Н. Коррозия металлов и их защита / И.Н.Андреев. – Казань.: Татарское книжное издательство, 1979. -232с.
3. Бабей, Ю.И. Защита стали от коррозионно-механического разрушения / Ю.И. Бабей, Н.Г.Супрунюк.-Киев.: Изд-во Техника, 1981. - 126с.
4. Биоповреждения в строительстве: монография / Ф.М. Иванов [и др.];
под ред. Ф.М. Иванова.- М.: Стройиздат, 1984.-320 с.
5. Бирюлёв, В.В. Проектирование металлических конструкций:
/В.В.Бирюлев, Н.Н. Кошин, И.И.Сильвестров; - Л.: Стройиздат, 1990. -432 с.
6. Блази, В. Справочник проектировщика. Строительная физика /
В.Блази.- М.: Техносфера, 2004.-480 с.
7. Бойко, М. Д. Диагностика повреждений и методы восстановления
эксплуатационных качеств зданий / М.Д. Бойко.- Л: Стройиздат, 1975.- 336с.
8. Бойко, М.Д. Техническое обслуживание и ремонт зданий и сооружений: учеб. пособие для вузов / М.Д. Бойко; - Л.: Стройиздат, Ленинградское
отд-ние, 1986.-256 с.
9. Валь, В.Н. Усиление стальных каркасов одноэтажных производственных зданий при их реконструкции: / В.Н. Валь, Е.В. Горохов, Б.Ю. Уваров; -М.: Стройиздат, 1987.- 220 с.
10. Василенко, И.И. Коррозионное растрескивание сталей: /
И.И.Василенко, Р.К.Мелехов; - Киев: Наукова думка, -1977. -265 с.
11. Веденкин, С. Г. Проблемы морской коррозии: / С.Г.Веденкин; - М:
издательство АН СССР, 1951.-265 с.
12. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных
средах химических производств: / Г.Я. Воробьева; - М.: издательство Химия,
1967.-382 с.
13. ГОСТ 5272-68* Коррозия металлов. – М.: Изд-во стандартов, 1981.-9с.
14. ГОСТ 9.908-85* Единая система защиты от коррозии и старения.
Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости.– М.: Изд-во стандартов, 1990.-12с.
15. Гроздов, В.Т. Дефекты строительных конструкций и их последствия
/ В.Т.Гроздов; СПб.:- Издательский Дом KN+, 2001. - 152 с.
16. Гучкин, И.С. Диагностика повреждений и восстановление эксплуатационных качеств конструкций: учеб. пособие / И.С.Гучкин; ПГАСА. - Пенза, 2000.-173 с.
61
17. Долговечность стальных конструкций в условиях реконструкции: /
Е. В. Горохов [и др.]; под ред. Е. В. Горохова. – М.: Стройиздат, 1994. – 488 с.
18. Жук, Н.П. Курс коррозии и защиты металлов: учебник / Н.П.Жук;М.: Металлургия, 1968.-408 с.
19. Зайцев, Ю.В. Механика разрушения для строителей: учеб.пособие /
Ю.В.Зайцев;-М.: Высш. шк., 1991. – 228 с.
20. Калинин, В.М. Обследование и испытание конструкций зданий и
сооружений: учеб. пособие / В.М.Калинин, С.Д.Сокова, А.Н.Топилин; – М.:
ИНФРА-М, 2005. - 336с.
21. Коровин, Н.В. Общая химия: учебник / Н.В. Коровин. – 2-е изд.,
испр. и доп. – М.: Высшая шк., 2000. – 558с.
22. Неверов, А.С. Коррозия и защита материалов: учеб. пособие / А. С.
Неверов, Д. А. Родченко, М. И. Цырлин; – Минск: Высш.шк., 2007. – 222 с.
23. Максимова, С.В. Диагностика разрушений зданий, сооружений и
конструкций: конспект лекций / С.В. Максимова; Перм.гос. ун-т. - Пермь,
2001.-84 с.
24. Горев, В.В. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкций: учебник / В. В. Горев [и др.] ; под ред. В.В. Горева ;– 3-е изд., стер.
– М.: Высш. шк., 2004. – 551 с.
25. Обследование и испытание зданий и сооружений: учебник / В.Г.
Казачек, [и др.] ; под ред. В.И.Римшина. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. :
Высшая шк., 2006. – 655 с.
26. Обследование и испытание сооружений: учебник / О.В.Лужин, [и
др.]; под ред. О.В. Лужина. – М.: Стройиздат, 1987.-263 с.
27. Панорилов, М.И. Справочное руководство сталевара мартеновской
печи / М.И.Панорилов. -М.: Металлургия, 1961.-324с.
28. Перельмутер, А.В. Избранные проблемы надежности и безопасности строительных конструкций / А.В.Перельмутер. - 2-е изд., перераб. и доп.Киев: Изд-во УкрНИИпроектстальконструкция, 2000.-216 с.
29. Петров, В. В. Расчет элементов конструкций, взаимодействующих с
агрессивной средой / В.В. Петров, И.Г.Овчинников, Ю.М. Шихов. – Саратов:
Изд-во Саратовского ун-та. 1987.- 288с.
30. Петрова, Н.Е. Коррозия корпусов судов / Н.Е.Петрова, Л.С.Баева.//
Вестник МГТУ, том 9, статья №5, 2006.
31. Лащенко, М.Н. Повышение надежности металлических конструкций зданий и сооружений при реконструкции / М.Н. Лащенко. – Л. : Стройиздат, Ленингр. отделение, 1987. – 136 с.
32. Регель, В.Р., Кинетическая природа прочности твердых тел / В.Р.
Регель, А.И. Слуцкер, Э.Е. Томашевский. – М.: Наука, 1974.-560 с.
33. СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии.М., 1986.- 48 с.
34. Солнцев, Ю.П. Металловедение и технология металлов
/Ю.П.Солнцев. -М.: Металлургия, 1988.- 512с.
62
35. СП 13-102-2003 Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. – М.: Госстрой России, 2004.- 26 с.
36. Стеклов, О.И. Стойкость материалов и конструкций к коррозии под
напряжением / О.И.Стеклов.- М.: Машиностроение, 1990.-384 с.
37. Травин, В.И. Капитальный ремонт и реконструкция жилых и общественных зданий: учеб. пособие / В.И.Травин.-Ростов-н/Д: Феникс, 2004. -256 с.
38.Ушаков, И.И. Основы диагностики строительных конструкций:
учеб. пособие / И.И.Ушаков, Б.А.Бондарев.-Ростов н/Д : Феникс, 2008.-204 c.
39. Шевяков, В.П. Проектирование защиты строительных конструкций химических предприятий от коррозии / В.П.Шевяков. - М.: Стройиздат, 1984. – 168с.
Учебное издание
Игорь Иванович Ушаков
Валерий Яковлевич Мищенко
ДИАГНОСТИКА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Коррозионные повреждения стальных
строительных конструкций
Учебное пособие
для студентов строительных специальностей
Редактор Черкасова Т.О.
Подписано в печать 12.09.2011. Формат 60х84 1/16. Уч.-изд. л. 4,0.
Усл.-печ. л. 4,1. Бумага писчая. Тираж 150 экз. Заказ №
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Отпечатано: отдел оперативной полиграфии учебной литературы и учебно-методических
пособий Воронежского государственного архитектурно-строительного университета,
394006 Воронеж, ул.20-летия Октября, 84
63
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
30
Размер файла
1 564 Кб
Теги
конструкции, диагностика, 261, строительная, ушаков
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа