Тема 7. Общие сведения о коррозии металлов и способы защиты от нее

Свыше 70% стальных конструкций эксплуатируются в атмосфере промышленных районов или подвержены непосредственному воздействию агрессивных сред. Агрессивность среды во многих случаях предопределяет выбор материала и конструктивной формы, оптимальный вид защитных покрытий и правила эксплуатации конструкций.

Показателями среды, определяющими степень ее агрессивности по отношению к строительным конструкциям, являются относительная влажность, температура, возможность образования конденсата, состав и концентрация газов и пыли, туманы агрессивных жидкостей, а также способы их воздействия на конструкции (непосредственно или через воздушную среду). В зависимости от факторов, формирующих эксплуатационную среду, строительные конструкции можно подразделить на: конструкции, эксплуатирующиеся на открытом воздухе, в общезаводской атмосфере, конструкции, эксплуатирующиеся внутри зданий, во внутрицеховой атмосфере (рис. 7.1). Условия эксплуатации конструкций в общезаводской атмосфере определяются климатическими особенностями региона расположения объекта и загрязненностью атмосферы технологическими выделениями. В нормах по климатологии территория Украины разделена взависимости от влажности на три зоны (сухая, нормальная и влажная). Условия эксплуатации конструкций во внутрицеховой атмосфере предопределяются технологическим процессом.

Главным фактором, определяющим интенсивность коррозионного износа (разрушения), является относительная влажность. Наибольшая скорость коррозии реализуется при периодическом выпадении конденсата, однако скорость резко возрастает при достижении так называемой критической влажности, обычно принимаемой для стали 70...75%.

Установлено четыре степени агрессивности воздействия среды:

I - неагрессивная (примерная скорость коррозии незащищенной стальной поверхности до 0,01 мм/год);

II - слабоагрессивная (0,01...0,05 мм/год);

III - среднеагрессивная (0,05...0,1 мм/год);

IV -сильноагрессивная (более 0,1 мм/год).

Рис. 7.1. Потери металла от коррозии в промышленных сооружениях разного назначения

 

Нормы проектирования по защите строительных конструкций от коррозии влажностный режим помещений (или влажность воздуха для открытых конструкций) подразделяют на сухой, нормальный, влажный и мокрый. Нормами также установлены группы А, В, С и D в зависимости от вида и концентрации загрязненности воздуха агрессивными реагентами, солями, аэрозолями и пылью. На основании данных многолетних натурных наблюдений по степени агрессивности среды цехи основных отраслей промышленности распределены так:

I сборочные, механические и ремонтные цехи, закрытые складские помещения;

II здания сталеплавильных и прокатных цехов, обжиговые и агломерационные цехи;

III открытые конструкции, эксплуатируемые в индустриальной атмосфере, объекты связи, опоры линий передач, здания металлургических комбинатов, некоторые цехи цветной металлургии (обогатительные, сушильные и др.), химических комбинатов, открытые эстакады и т.п.;

IV основные цехи предприятий цветной металлургии и химической промышленности.

Коррозией металла называют разрушение его поверхности вследствие химического, электрохимического и биохимического воздействий окружающей среды.

По условиям протекания, которые весьма разнообразны, различают следующие виды коррозии: почвенная, структурная, электрокоррозия, контактная, щелевая, под напряжением, при трении, коррозионная кавитация, биокоррозия.

Строительные стальные конструкции подвержены главным образом электрохимической, атмосферной коррозии, которая определяется электрохимическими процессами на поверхности стали в присутствии влаги.

Для прогнозирования долговечности строительных конструкций важно знать не только скорость протекания, но и характер коррозионных разрушений. Коррозионное разрушение может иметь сплошной (общий) характер или сосредоточиваться на отдельных участках (местная коррозия) (рис. 7.2). Сплошная коррозия распространяется по всей поверхности металла с одинаковой (равномерная коррозия) или неодинаковой (неравномерная коррозия) скоростью на различных участках.

Рис 7.2. Виды коррозии:

а - равномерная; б - неравномерная; в - пятнами; г - язвенная;

д - питтинговая; е - межкристаллигная; ж - подповерхностная;

и - коррозионное растрескивание

 

Местная коррозия может быть следующих типов:

– пятнами (d>h);

– язвами;

– кавернами (d≥h);

– точечная;

– питтинговая (d<h) – разрушение может быть весьма глубоким и даже перейти в сквозное;

– подповерхностная – разрушение начинается с поверхности, но в дальнейшем распространяется преимущественно под поверхностью металла;

– избирательная – разрушение отдельных структурных составляющих или одного из компонентов стали;

– межкристаллитная (разрушение происходит по границам зерен);

– внутрикристаллитная - характеризуется тем, что разрушение распространяется в глубь металла по телу зерен.

Общая сплошная коррозия приводит к ослаблению сечения элемента конструкции и повышению уровня напряжений. Местная коррозия помимо ослабления сечения вызывает концентрацию напряжений, что повышает вероятность хрупкого разрушения стали. Поэтому местные коррозионные повреждения представляют особую опасность, особенно для конструкций, эксплуатируемых при пониженных температурах.

Кроме агрессивности эксплуатационной среды скорость коррозии зависит от химического состава стали.

По коррозионной стойкости строительные стали можно разделить на три группы:

1) марганцовистые стали и сталь 14ГСМФР;

2) все стали, кроме входящих в первую и третью группы;

3) медистые и атмосферостойкие стали.

Стали 09Г2,14Г2 и 14ГСМФР, входящие в первую группу, имеют пониженную коррозионную стойкость, их не следует применять в сильно - и среднеагрессивньгх средах.

Стали 09Г2С, 10Г2С1, 15Г2СФ по коррозионной стойкости аналогичны низкоуглеродистой стали.

Медистые стали (10ХСНД, 15ХСЦЦ, 10ХНДП) имеют повышенную коррозионную стойкость и корродируют почти в 1,5 раза медленнее низкоуглеродистой стали. Атмосферостойкая сталь (10ХНДП) может быть применена без антикоррозионной защиты для открытых конструкций, расположенных в сухой климатической зоне.

При положительных температурах коррозионный износ практически не влияет на механические свойства стали. Снижение прочности корродирующих конструкций происходит за счет потери толщины сечений (рис. 7.3). Однако, когда глубина коррозионных повреждений соизмерима с толщинами элементов конструкций, уменьшение прочностных характеристик стали при комнатной температуре становится существенным. Поэтому для тонкостенных элементов конструкций (t<6 мм) следует учитывать это обстоятельство при проведении проверочных расчетов.

Рис. 7.3. Распространение коррозии от типа сечения

 

Более интенсивное снижение прочностных характеристик строительных сталей из-за коррозии имеет место при отрицательных температурах. При –60⁰С для стали 09Г2С снижение предела текучести достигает 15...20%.

Как было отмечено выше, местные коррозионные повреждения являются концентраторами напряжений и снижают ударную вяз кость Отрицательное влияние коррозионного разрушения на сопротивляемость сталей хрупкому разрушению следует учитывать при количественных оценках работоспособности материала.

Обеспечение долговечной эксплуатации стальных конструкций возможно только при надежной защите их от разрушающего воздействия агрессивных сред.

Способы защиты конструкций от коррозии можно разделить на три группы: воздействия на металл, воздействия на среду, комбинированные.

Для строительных конструкций широкое распространение получили методы нанесения защитных покрытий. В настоящее время из всех видов покрытий наиболее распространенными, доступными и достаточно эффективными являются лакокрасочные: Для защиты строительных конструкций от коррозии рекомендуют более 70 различных марок лакокрасочных материалов.

Выбор состава покрытий является технико-экономической задачей, при решении которой учитываются стоимость защитного покрытия, его долговечность, трудоемкость нанесения и другие факторы. Долговечность защитного покрытия в условиях производственной среды устанавливают обычно из опыта эксплуатации покрытий в аналогичных средах или экспериментальным путем.

Защитные свойства покрытия определяются тремя факторами: механическими и химическими свойствами пленки покрытия, сцеплением пленки с защищаемой поверхностью и коррозионной стойкостью конструкционного материала. Покрытие в большинстве случаев должно состоять из шпатлевки, грунтовки и покрывных слоев. Назначение грунтовки – обеспечить прочное сцепление (адгезию) лакокрасочной пленки с поверхностью металла. Адгезия зависит от качества подготовки поверхности элементов под окраску.

По типу пленкообразователя лакокрасочные покрытия подразделяют на следующие основные виды.

1. Лаки и краски на основе битумов, лаков и смол (БТ), например краска БТ-177, битумно-масляный лак БТ-783. Применяются для закрытых конструкций в слабоагрессивных средах при повышенной влажности.

2. Перхлорвиниловые лаки и эмали (ХВ), например эмали ХВ - 1100, ХВ-124, грунтовка ХВ-050, лак ХС-724. Рекомендуются для средне- и сильноагрессивных сред при повышенных требованиях к водостойкости, а также стойкости против растворов кислот, щелочей.

3. Эпоксидные эмали (ЭП), например эмали ЭП-733 и ЭП-575, грунтовка ЭП-0200, шпатлевка ЭП-ЭЩО и др. Применяются для слабо- и среднеагрессивных сред.

4. Кремнийорганические эмали (КО), например эмаль КО-811 (наносится без грунтовки), КО-042 и др. Рекомендуются для открытых конструкций, эксплуатируемых в среднеагрессивной среде.

5. Масляные краски (МА), например масляная черная, белила цинковые, железный сурик на олифе-оксоль. Могут быть применены для защиты конструкций в закрытых помещениях при слабоаг-рессивньгх средах. Не рекомендуются для производственных сель­скохозяйственных зданий.

6. Глифталевые покрытия (ГФ). Грунтовки ГФГ021, ГФ-017 и другие применимы почти для всех видов покрытий. Грунтовка ГФ-017 рекомендуется для конструкций, монтируемых или эксплуатируемых при расчетной температуре -40°С.

Чистый алюминий и некоторые его сплавы обладают достаточной коррозионной стойкостью, чтобы применять их без специальной защиты. Это объясняется образованием на поверхности сплавов плотной оксидной пленки толщиной 10^-4 – 10^{-3 мм. Однако в ряде случаев воздействия агрессивной среды или при прямом контакте с другими металлами, по отношению к которым А1 имеет отрицательный потенциал и является анодом, конструкции могут подвергаться воздействию электрохимической коррозии.}

Наиболее распространенные способы защиты конструкций из алюминиевых сплавов от коррозии заключаются в увеличении толщины защитной оксидной пленки до 2,5·10^-4 - 5·10^{-3 мм в результате электрохимического (анодирование) или химического (оксидирование) воздействия. Анодируемые детали опускают в ванну с электролитом (чаще всего это 18-20%-ный водный раствор серной кислоты), через который пропускают постоянный ток. При этом на анодируемой детали, соединенной с положительным полюсом, из раствора бурно выделяется атомарный кислород, вступающий в реакцию с алюминием. Внешний вид искусственно созданной пленки более привлекателен и поэтому конструкции из алюминиевых сплавов без анодирования практически не применяют даже в неагрессивных средах. Химическое оксидирование служит обычно для подготовки поверхности при лакокрасочных покрытиях.}

Наиболее эффективной защитой при воздействии среды высокой степени агрессивности являются лакокрасочные покрытия.

Кроме указанных способов часто применяют плакирование – покрытие сплавов слоем алюминия высокой чистоты.

Для улучшения внешнего вида конструкций из алюминиевых сплавов на них наносят различные покрытия, являющиеся в большей степени декоративными: цветное анодирование, окрашивание синтетическими эмалями, лакирование, эмалирование стекло- и кремнийорганическими эмалями.

В конструкциях из алюминиевых сплавов, соприкасающихся со сталью, строительным раствором или бетоном, кроме обычных антикоррозионных мероприятий необходимо устанавливать в местах контакта дополнительные битуминизированные прокладки, тиоко-ловые ленты, герметик или другие подобные материалы.