Герасименко - Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений- Том 1 (1987)

Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений: Справочник: В 2 т. Т. I./Под ред. А. А. Герасименко.—М.: Машиностроение, 1987. — 688 с, ил. (В пер.): 2 р. 20 к.

Приведены сведения о процессах коррозии. Даны рекомендации по защите от коррозии и совершенствованию методов защиты. Для инженерно-технических работников всех отраслей машиностроительной промышленности, занимающихся вопросами коррозии.

ВВЕДЕНИЕ

В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года», принятых XXVII съездом КПСС, указано на необходимость ускоренного развития производства экономичных видов металлопродукции, синтетических и других прогрессивных материалов, расширения и  улучшения технико-экономических и повышения прочностных и противокоррозионных характеристик конструкционных материалов.

Долговечность и сохраняемость машин, оборудования и сооружений определяются качеством изготовления  деталей, узлов и агрегатов, входящих в их состав, а также характером факторов среды. Эти эксплуатационные  свойства во многом зависят от интенсивности развития  процессов коррозии металлов, старения полимеров и  биоповреждений материалов конструкций.

Соответствие методов защиты эксплуатационным  особенностям изделий — необходимое условие обеспечения их долговечности, сохраняемости и работоспособности.

Анализ результатов эксплуатации современных и  предшествующих поколений различных машин, оборудования и сооружений показывает, что это условие выполняется не в полной мере. Отсутствие единого подхода к  обеспечению комплексной долговременной защиты от коррозии, старения и биоповреждений на стадии разработки  конструкций и их эксплуатации приводит к значительным эффектам повреждений.

Приведенные материалы по защите конструкций от факторов среды могут быть использованы  представителями государственной приемки. При этом справочные данные для ответственных узлов конструкций должны получить дополнительное экспериментальное  подтверждение. Данные стандартов приведены по состоянию на 1986 год.

I Часть

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ КОРРОЗИИ, СТАРЕНИЯ И БИОПОВРЕЖДЕНИЙ. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ИХ ИССЛЕДОВАНИЮ. МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ. СТАНДАРТИЗАЦИЯ

Глава 1

Процессы коррозии

1.1. Коррозия. Основные понятия и терминология. Влияющие факторы

В системе общесоюзной стандартизации (ГОСТ 5272—68) коррозия металлов определена как разрушение металлов вследствие химического и электрохимического  взаимодействия их с коррозионной средой. В системе  международной стандартизации (ИСО) это понятие несколько шире физико-химическое взаимодействие между металлом и средой, в результате которого изменяются свойства металла и часто происходит ухудшение функциональных  характеристик металла, среды или включающей их технической системы.

Объекты воздействия коррозии — металлы, сплавы, металлопокрытия, металлоконструкции машин,  оборудование и сооружения. Процесс коррозии представляют как коррозионную систему, состоящую из металла и коррозионной среды.

Последняя содержит одно или несколько веществ, вступающих в реакцию с металлом. Коррозионная среда может быть жидкой и газообразной. Газообразная среда, окисляющая металл, называется окислительной газовой средой.

Изменение в любой части коррозионной системы,  вызванное коррозией, называется коррозионным эффектом. Коррозионный эффект, ухудшающий функциональные характеристики металла, покрытия, среды или включающих их технических систем, расценивают как эффект повреждения или как коррозионную порчу (по системе ИСО).

В результате коррозии образуются новые вещества, включающие окислы и соли корродирующего металла, это — продукты коррозии. Видимые продукты  атмосферной коррозии, состоящие в основном из гидратированных оксидов железа, называют ржавчиной, продукты газовой коррозии — окалиной.

Количество металла, превращенного в продукты  коррозии за определенное время, относят к коррозионным потерям.

Коррозионные потери единицы поверхности металла в единицу времени характеризуют скорость коррозии. Эффект повреждений, связанный с потерями  механической прочности металла, определяют термином —  коррозионное разрушение, глубину его в единицу времени — скоростью проникновения коррозии. Важнейшее понятие — коррозионная стойкость. Она характеризует способность металла сопротивляться  коррозионному воздействию среды. Коррозионную стойкость определяют качественно и количественно — скоростью коррозии в данных условиях, группой или баллом стойкости по принятой шкале (см. прил. 5).

Металлы, обладающие высокой коррозионной  стойкостью, относят к коррозионностойким. Факторы, влияющие на скорость, вид и  распределение коррозии и связанные с природой металла  (состав, структура, внутренние напряжения, состояние поверхности), называют внутренними факторами  коррозии.

Факторы, влияющие на те же параметры коррозии, но связанные с составом коррозионной среды и условиями процесса (температура, влажность, обмен среды,  давление и т. п.) называют внешними факторами  коррозии.

В ряде случаев факторы коррозии целесообразно  делить в соответствии с табл. 1.1, более подробное описание этих факторов дано в [5].

Выбор значимых факторов для пяти видов коррозии приведен в гл. 4. 1.2. Классификация процессов коррозии Классифицировать коррозию принято по механизму, условиям протекания процесса и характеру  разрушения (рис. 1.1). Кроме этого, коррозию можно рассматривать с учетом специфики использования машин, оборудования и сооружений в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте. В дальнейшем при раскрытии характера процесса и описании основных методов защиты от коррозии мы будем придерживаться указанной классификации.

По механизму протекания коррозионные процессы  согласно ГОСТ 5272—68 подразделяются на два типа: электрохимическую и химическую коррозию. К  электрохимической коррозии относят процесс взаимодействия металла с коррозионной средой, при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительных агентов среды протекают не в одном акте и зависят от электронного  потенциала (наличие проводников второго рода). К химической коррозии относят процесс, в котором окисление металла и восстановление среды представляют единый акт (отсутствие проводников второго рода).

Особенности типов коррозии будут рассмотрены более подробно в соответствующих главах справочника при описании наиболее значимых процессов.

В зависимости от упомянутых выше условий  протекания процесса и характера разрушения металла различают следующие виды коррозии.

Атмосферная коррозия характеризует процесс в условиях влажной воздушной среды. Это наиболее распространенный вид коррозии, так как большинство конструкций эксплуатируют в атмосферных условиях. Ее можно разделить следующим образом: на открытом воздухе, с возможностью попадания на поверхность машин  осадков или с защитой от них в условиях ограниченного  доступа воздуха и в замкнутом воздушном пространстве.

Подземная коррозия — разрушение металла в почвах и грунтах. Разновидность этой коррозии — электрохимическая коррозия под воздействием блуждающих токов. Последние возникают в грунте вблизи источников электрического тока (систем передачи электроэнергии, транспортных электрифицированных путей и т. д.).

Подводная коррозия — разрушение  металлоконструкций, погруженных в воду. По условиям эксплуатации металлоконструкций этот вид подразделяют на коррозию при полном погружении, неполном или переменном.

При неполном погружении может быть рассмотрен  процесс коррозии по ватерлинии. Водные среды могут отличаться коррозионной активностью в зависимости от  природы растворенных в них веществ (морская, речная вода, кислотные и щелочные растворы химической  промышленности и т. п.). Подводную коррозию можно  рассматривать как частный, но наиболее распространенный вид жидкостной коррозии (см. рис. 1.1), т. к. возможны  процессы коррозии оборудования в неводных жидких средах, которые подразделяют на неэлектропроводящие и электропроводящие. Такие среды специфичны для  химической, нефтехимической и других отраслей  промышленности.

Как отдельные виды коррозии следует рассматривать разрушение металлоконструкций в расплавах солей и в жидких металлах.

Химическая коррозия — это разрушение металлов в окислительных средах при высоких температурах. В  восстановительных средах или при проведении электрохимических процессов обработки металлов происходит наводороживание последних с возможным их разрушением. Механизм процесса наводороживания и защита от него заслуживают особого рассмотрения, и этой проблеме посвящена гл. 15 справочника.

Коррозионные процессы при излучении имеют свои особенности. Коррозия при ионизирующем излучении характерна для атомной промышленности, а также для условий эксплуатации металлоконструкций, включающих фактор проникающей радиации.

В особую группу следует выделить виды коррозии в  условиях воздействия механических напряжений  (механическая коррозия).

Эта группа включает собственно коррозию под напряжением, характеризуемую разрушением металла при одновременном  воздействии коррозионной среды и постоянных или переменных механических напряжений; коррозионное растрескивание — при одновременном воздействии коррозионной среды и внешних или  внутренних механических напряжений растяжения с  образованием транскристаллитных трещин.

Различают следующие самостоятельные виды коррозию коррозия при трении — разрушение металла,  вызываемое одновременным воздействием коррозионной среды и трения; фреттинг-коррозия — разрушение при колебательном перемещении двух поверхностей относительно друг друга в условиях воздействия коррозионной среды;  коррозионная кавитация — разрушение при ударном воздействии среды, коррозионная эрозия — при истирающем;  контактная коррозия — разрушение одного из двух металлов, находящихся в контакте и имеющих разные потенциалы в данном электролите.

Некоторое оборудование и транспортные средства работают в условиях постоянного и переменного контакта е сыпучими материалами с различной коррозионной  активностью и влажностью и это создает условия для  возникновения коррозии еще одного вида при контакте с  сыпучими материалами.

Как самостоятельный вид коррозии может  рассматриваться биокоррозия — разрушение металла, при котором в качестве значимого выступает биофактор. Биоагенты — микроорганизмы (грибы, бактерии) являются  инициаторами или стимуляторами процесса коррозии. Отдельно рассмотрим группы локальных видов  коррозии с характерными особенностями развития по месту и во времени (ГОСТ 5272—68).

Местная коррозия происходит с разрушением  отдельных участков поверхности металлов; точечная (питтинг) коррозия, коррозия пятнами и сквозная коррозия — разновидности местной коррозии.

Подповерхностная коррозия начинается с поверхности, но развивается преимущественно под ней таким образом, что продукты коррозии сосредоточены внутри металла; ее разновидность — послойная коррозия,  распространяющаяся преимущественно в направлении пластической деформации металла. Структурная коррозия связана со структурной  неоднородностью металла; ее разновидность — межкристаллитная коррозия, распространяющаяся по границам  кристаллитов (зерен) металла.

Ножевая коррозия — локализованное разрушение  металла в зоне сплавления сварных соединений в жидких средах с высокой коррозионной активностью.  Проблеме защиты от коррозии сварных соединений посвящена гл. 17.

Избирательная коррозия характеризуется  разрушением одной структурной составляющей или одного  компонента металла в высокоактивных средах; графитизация чугуна (растворение ферритных или перлитных  составляющих) и обесцинкование (растворение цинковой  составляющей) латуней — разновидности этого вида  коррозии. Щелевая коррозия — усиление процесса разрушения металла в зазорах между двумя металлами или при  неплотном контакте металла с коррозионно-инертным  материалом.

Сплошная коррозия охватывает всю поверхность  металла, при этом она может быть равномерной или  неравномерной.

1.3. Общая характеристика проблемы коррозии Продлить сроки эксплуатации различных  металлоконструкций до их морального износа — основная цель  решения многовековой проблемы коррозии металлов. До настоящего времени она не решена в мировом  масштабе.

Металлофонд нашей планеты в виде машин,  оборудования и сооружений составляет шесть миллиардов тонн [6]. Это лишь 30 % от произведенного за три  тысячелетия металла. Остальной металл исчез из обращения,  причем основной причиной были процессы коррозии.  Человечество непрерывно ведет борьбу за сохранение  металлоконструкций. Однако потери от коррозии уменьшаются мало. Ущерб, в результате отказов техники, аварий и катастроф несравним с ущербом, связанным с прямыми потерями металла. В значительной степени это относится к сложным конструкциям машин и оборудования. Выше приведенная классификация процессов коррозии  показывает, насколько многообразно проявление коррозионного разрушения металлов.

Трудность предотвращения коррозии в том, что разрушение металлов под влиянием факторов среды —  естественный термодинамически выгодный процесс,  направленный на сохранение равновесия в природе. Проблему  коррозии металлов по количеству факторов, которые нужно принимать во внимание, относят к глобальным [10]. В табл. 1.1 показаны 35 факторов атмосферной  коррозии. С помощью общеизвестных методов возможно  разделение их на группы значимости и учет последних в  эксперименте в зависимости от требуемой точности моделей коррозионных процессов [3]. Для разных видов  коррозии число учитываемых факторов и их значимость  могут изменяться. Однако принципиальный подход к выявлению их значимости для включения в модели  сохраняется. Этот подход целесообразно распространить на исследования процессов старения и биоповреждений  материалов. Проведение таких исследований в комплексе с описываемыми тремя процессами представляет  значительную сложность. Принципы системного подхода приведены в гл. 5.

Так как процессы коррозии, связанные с влиянием  факторов среды, необратимы и часто приводят к отказам, их необходимо обнаруживать на ранних стадиях,  классифицировать, давать количественную оценку эффекта  повреждения и прогноз опасности развития в случае  непринятия мер по усилению защиты. Только установление причин коррозионного процесса позволяет правильно выбрать метод совершенствования защиты.

1.4. Методы исследования коррозии металлов О развитии коррозионных процессов при эксплуатации техники можно судить, выполняя непосредственные  измерения коррозионных эффектов (глубины, площади  повреждения, массы продуктов коррозии и т. п.) или  фиксируя изменения в результате коррозии некоторых  характеристик металла (механической прочности,  электропроводности и т. п.), или осуществляя дистанционно- периодические проверки эксплуатационных факторов (температурно-влажностного режима, концентрации  загрязнений в воздухе и т. п.) и работоспособности узлов и агрегатов (приборов) машин.

При исследовании коррозии условия эксплуатации можно моделировать на образцах металлов с учетом  значимых факторов (лабораторные испытания), деталях и узлах на коррозионно-климатических станциях или  микологических площадках на опытных образцах техники  (испытания в природных условиях). Испытания могут быть длительными и ускоренными. Иногда применяют экспресс-методы.

Сведения о методах коррозионных испытаний и  критериях оценки коррозионных эффектов приведены в  работах [8, 9], классификация их показана на рис. 1.2. Кратко рассмотрим те из них, которые находят применение при эксплуатации машин, оборудования и сооружений. При эксплуатации машин применяют визуальный метод, он позволяет установить изменение микрогеометрии поверхности металла и защитного покрытия, адгезию последнего (вздутия, растрескивание, отслаивание), вид коррозионного разрушения. Его используют для оценки сплошной коррозии и некоторых видов местной  коррозии; пятнами, точечной и др. Местную коррозию  оценивают по глубине поражений и занимаемой ими площади поверхности. Обычно для оценки коррозионного эффекта используют десятибалльную шкалу коррозионной  стойкости.

Недостаток разработанных ранее шкал —  расхождение в значениях коррозионных баллов. Разработана универсальная шкала оценки состояния  металлоконструкций, по которой коррозионное состояние оценивают соответствующей группой стойкости 0—V) или в  баллах 0—10). Элементы конструкции, не подвергающиеся коррозии в данных условиях эксплуатации, относят к нулевой группе (совершенно стойкие) и оценивают в 0 баллов. При интенсивном протекании коррозионных  процессов разрушения металлов относят к пятой группе (совершенно нестойкие) и оценивают в 10 баллов.

О начальных стадиях общей коррозии блестящих  металлических поверхностей можно судить по изменению коэффициента отражения света, замеряя величину  фототока с помощью фотоэлектрических блескомеров ФБ-2, ФМ-58 и др.

Металлографические методы позволяют обнаруживать начальные стадии структурной коррозии. Их применение возможно в условиях эксплуатации металлоконструкций без отбора образцов (см. экспресс-методы). Химические и электрохимические методы позволяют идентифицировать состав металла элементов  конструкции и продуктов коррозии, определить кислотность среды, оценить качество покрытий, выявить анодные и катодные зоны в условиях неравномерной и местной коррозии  металлов, гетерогенные включения в металле, выходящие на его поверхность, используя капельный способ с  применением соответствующего раствора или наложением влажной индикаторной бумаги.

Методы механических испытаний состоят в сравнение механических свойств металла до и после коррозии. Они включают испытания на растяжение, изгиб, ударную вязкость. В особых случаях определяют другие  механические свойства металла (предел выносливости, текучести и др.).

Иногда баки, трубопроводы и т. п. испытывают на прочность воздухом и водой. При таких испытаниях  фиксируют предельные значения давления рабочего тела (воздуха, жидкости), по которым рассчитывают усилия разрушения конструкции для сравнения со  стандартными.

Испытания позволяют установить влияние условий эксплуатации и коррозионных процессов на прочностные и другие физико-механические характеристики  элементов конструкции. Известны следующие критерии оценки коррозионных эффектов: очаговый показатель коррозии ku — число  коррозионных очагов, возникающих на единице металлической  поверхности за определенный промежуток времени в данных условиях эксплуатации; глубинный показатель коррозии kP — характеризует среднюю или максимальную глубину коррозионного  разрушения металла за определенное время эксплуатации изделий, например, мм/год; для измерения питтингов может быть использован индикатор повышенной  чувствительности [2];

показатель склонности металла к коррозии kc — срок эксплуатации (испытания) до начала коррозионного  процесса, ч (сут). Начало коррозионного процесса определяют состоянием поверхности металла, при котором  коррозионное поражение достигло 1 % площади; показатель изменения массы металла kT —  уменьшение или увеличение массы металла во время  эксплуатации (испытания) за счет потерь или роста продуктов коррозии, г/(м2-ч); механический показатель коррозии, например  прочностной, характеризующий изменение предела  прочности металла за время эксплуатации, %; электрический показатель коррозии, например токовый, соответствующий скорости коррозионного процесса мА/см2, или показатель изменения электросопротивления поверхности металла за время эксплуатации, %