Коррозия металлических конструкций

Металлические конструкции и арматура в бетоне подвергаются значительной коррозии вследствие химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой.

Коррозия металлов — это разрушение их вследствие химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. По характеру разрушения различают общую и местную коррозию металла (рис. 3.10). Если на поверхности конструкции образуется равномерная коррозионная пленка, то поверхность становится микроскопически шероховатой, но макроскопически ровной с небольшими углублениями. Более опасна коррозия, поражающая отдельные участки поверхности, в результате которой образуются язвенные углубления, а также коррозия небольших по размеру участков, проникающая в глубь материала. Такой тип коррозии наблюдается на металлических элементах, эксплуатирующихся в сильно загрязненной примесями воздушной среде города (стальная кровля, открытые металлоконструкции зданий, балконные балки и др.). Образующаяся при неполном сгорании углерода копоть и частицы пыли адсорбируются на поверхности конструкции и вызывают усиленную конденсацию водяных паров, которые формируются в виде капель электролита. Возникающий процесс электрохимической коррозии сопровождается образованием местных очагов — язв. То же самое происходит на поверхности конструкции, соприкасающейся с электролитом, в котором растворено разное количество кислорода.

Значительную опасность вызывает коррозия на границах блоков кристаллов, так как конструкция может разрушиться без видимых изменений.

Химическая коррозия. Примерами такого типа коррозии являются реакции, протекающие при соприкосновении металлоконструкций с кислородом или другими окисляющими газами при высокой температуре (свыше 100°С):

2Ее + 07 = БеО; 4ЕеО + 30? = 2Ее203.

Виды коррозионных разрушений металлических конструкций

Рис. 3.10. Виды коррозионных разрушений металлических конструкций: а — сплошное равномерное; б — сплошное неравномерное; в — язвенное;

г — межкристаллическое

Металлы менее активны по отношению к кислороду при высоких температурах, чем при низких. При нагревании оксида металла до определенной температуры происходит его диссоциация (разложение). Оксид образуется на поверхности металлоконструкций, если давление диссоциации меньше, чем давление кислорода в окружающей среде. У оксида железа ИеО давление диссоциации очень мало даже при температуре 2000°С, поэтому окисление стальных конструкций происходит и при более высоких температурах. Аналогично ведут себя алюминиевые, медные, никелевые конструкции.

Если в результате химической коррозии образуется сплошная оксидная пленка, имеющая достаточно прочную адгезию с поверхностью металлоконструкции, то доступ кислорода к металлу затрудняется, коррозия замедляется, а затем и совсем прекращается. Пористая, плохо связанная с поверхностью конструкции оксидная пленка не защищает металл от коррозии. Когда объем оксида больше объема вступившего в реакцию окисления металла и оксид имеет достаточную адгезию с поверхностью металлоконструкции, такая пленка хорошо защищает металл от дальнейшего разрушения. Толщина защитной пленки оксида колеблется от нескольких молекулярных слоев (5—10) • 10-5 м до нескольких микронов.

Толщина оксидной пленки увеличивается только в том случае, если через нее диффундирует кислород. Если ионы металла и принадлежащие им электроны диффундируют из металла через оксидную пленку намного быстрее, чем кислород, то толщина оксидной пленки увеличивается над границей газа и оксида (рис. 3.11).

Схема роста оксидной пленки при газовой коррозии

Рис. 3.11. Схема роста оксидной пленки при газовой коррозии: а - рост пленки со стороны газовой среды; б - то же, со стороны поверхности металла; в - то же, между поверхностью металла и средой

Обычно в условиях эксплуатации наблюдается именно такой механизм роста оксидной пленки металла, так как размер ионов самого металла меньше молекул кислорода. Окисление материала металлоконструкций, соприкасающихся с газовой средой, происходит в котлах, дымовых трубах котельных, водонагревателях, работающих на газовом топливе, теплообменниках, работающих на жидком и твердом топливе. Если бы газообразная среда не содержала диоксида серы или других агрессивных примесей, а взаимодействие металлоконструкций со средой происходило при постоянной температуре по всей плоскости конструкции, то относительно толстая оксидная пленка служила бы достаточно надежной защитой от дальнейшей коррозии. В действительности распределение температуры по поверхности и объему металла неодинаково, особенно в чугунных котлах, работающих на газовом топливе. В связи с тем что тепловое расширение металла и оксида различно, оксидная пленка отслаивается местами, что создает условия для дальнейшей коррозии. При взаимодействии со стальной конструкцией диоксида серы, содержащегося в продуктах горения топлива, образуется сульфид железа, который при высокой температуре разлагается и окисляет металл. Вторичный оксид железа, который сопровождает этот процесс, более пористый и не защищает металл от дальнейшей коррозии. Коррозия металла ускоряется диоксидом углерода.

Интенсивность газовой коррозии зависит от свойств и скорости движения газов или воздушной среды, их температуры, равномерности нагрева материала конструкции и др. Для сплавов значительное влияние на скорость коррозии оказывает разница в интенсивности окисления различных компонентов. При нагревании стальных конструкций в результате контакта их с газообразной средой, содержащей кислород, диоксид углерода или водяные пары, окисление происходит по одной из нижеприведенных реакций:

2Ре3С + О-, — бИе + 2СО; Ее3С + С02 = ЗЕе + 2СО; Ее3С + Н70 = ЗРе + СО + Н2

Содержание углерода в поверхностном слое конструкции уменьшается, и сталь превращается в мягкое железо — обезуглероживается. Так как углерод в стали диффундирует быстрее, чем ионы металла, из сплава на поверхность выходят все новые и новые атомы углерода, которые окисляются до оксида углерода. Вследствие этого сталь приобретает свойство текучести и конструкция сильно деформируется, а затем разрушается.

Газовая коррозия стальных конструкций может протекать вследствие не только окислительных, но и восстановительных процессов. При сильном нагреве стальных конструкций под высоким давлением в среде, содержащей водород, водород диффундирует в объем стали и разрушает материал по двойному механизму — обезуглероживания стали из-за взаимодействия водорода с углеродом

Ге3С + 2Н2 = ЗГе + СН4

и придания стали свойств хрупкости вследствие растворения в ней водорода — «водородная хрупкость».

Электрохимическая коррозия. При контакте с воздухом на поверхности конструкции появляется тонкая пленка влаги, в которой растворяются примеси, находящиеся в воздухе, например диоксид углерода. При этом образуются растворы, вызывающие электрохимическую коррозию.

Электрохимическая коррозия — явление сложное, состоящее из нескольких процессов. На анодных участках протекает анодный процесс — в раствор переходят ионы металла (Ме), а избыточные электроны (е), оставаясь в металле, движутся к катодному участку. Схема этого процесса следующая:

е <- [Ме+е]иН2° —> Ме+/7Н20 .

На катодных участках поверхности металла избыточные электроны поглощаются ионами, атомами или молекулами электролита (деполяризаторами), которые восстанавливаются:

е + Д^ [Де],

где Д — деполяризатор; е — электрон.

Интенсивность коррозионного электрохимического процесса зависит от скорости анодной реакции, при которой ион металла переходит из кристаллической решетки в раствор электролита, и катодной, заключающейся в ассимиляции освобождающихся при анодной реакции электронов. Возможность перехода иона металла в электролит определяется силой связи с электронами в междоузлиях кристаллической решетки. Чем сильнее связь между электронами и атомами, тем труднее вызвать переход иона металла в электролит.

В электролитах имеются положительно заряженные частицы — катионы и отрицательно заряженные — анионы. Анионы и катионы присоединяют к себе молекулы воды. Структура молекул воды обусловливает ее полярность (рис. 3.12). Между заряженными ионами и полярными молекулами воды возникает электростатическое взаимодействие, вследствие которого полярные молекулы воды определенным образом ориентируются вокруг анионов и катионов (рис. 3.13).

Строение молекулы воды

Рис. 3.12. Строение молекулы воды

Гидратация ионов

Рис. 3.13. Гидратация ионов:

А~ — анод; К+ катод; п - полярные молекулы воды

При переходе ионов металлов из кристаллической решетки в раствор электролита освобождается эквивалентное число электронов.

Таким образом, на границе металл — электролит образуется двойной электрический слой, в котором металл заряжен отрицательно, электролит — положительно; возникает скачок потенциала.

Способность ионов металла переходить в раствор электролита характеризуется электродным потенциалом, который представляет собой энергетическую характеристику двойного электрического слоя. Когда этот слой достигает разности потенциалов, переход ионов в раствор прекращается и наступает равновесное состояние.

Для количественного определения потенциала часто используют стандартный (нормальный) водородный электрод, состоящий из платиновой пластинки, покрытой рыхлым слоем из черненной платины и погруженной в раствор серной кислоты с активностью ионов Н+, равной 1 г - ион/л. Через раствор пропускают под давлением 1,013 * 105 Па ток; водород, приходя в соприкосновение с платиной, в довольно большом количестве поглощается ею.

Насыщенная водородом платиновая пластинка ведет себя так, как если бы она была выполнена из водорода. При соприкосновении ее с раствором серной кислоты возникает определенная разность потенциалов (потенциал водородного электрода), условно принимаемая при измерениях относительных потенциалов за нуль.

Потенциалы металлов, находящиеся в растворе в равновесии с собственными ионами, называются равновесными. Величина равновесного электродного потенциала зависит от природы металла и раствора, температуры и активности ионов металла в электролите. Когда активность ионов металла в растворе равна единице, а температура электролита 25°С, значение потенциала данного металла соответствует стандартному.

Ниже приведены стандартные электродные потенциалы некоторых металлов, В:

А1/А13+ -1,66 Ре/Ре3+ -0,037

1п/гп2+ -0,762 У22) Н+ 0,000

Ре/Ре2+ -0,440 Си/Си2+ +0,337

По значениям этих величин можно определить электродвижущую силу элемента, составленного из двух разноименных металлов. Например, для элемента из медного и цинкового электродов, погруженных в растворы собственных ионов с активностью 1 г • ион/л, электродвижущая сила и= Ег- Е1п = + 0,337 -- (-0,762) = 1,099 В.

При электрохимической коррозии на одних участках металлоконструкции протекают анодные, на других — катодные процессы. При этом на катодных участках вода и растворенный в ней кислород присоединяют свободные электроны, образуя гидроксильную группу:

20 + 02 + 4е" ^40Н2.

Если в электролите много гидроксильных групп или раствора кислот, возможен также катодный процесс нейтрализации ионов водорода:

+ + 2е- -> Н2.

Эта реакция вследствие накопления молекул водорода сильно замедляется в случае прекращения окисления водорода. Процессы окисления водорода протекают в присутствии кислорода воздуха, который под влиянием металлического катализатора вступает в реакцию с водородом, образуя воду:

2 + 07 —> 2Н20.

По-особому протекает коррозия металлических конструкций, изготовленных из разных металлов. При эксплуатации систем отопления и водоснабжения встречаются случаи, когда с водой (электролитом) соприкасаются одновременно сталь и сплавы меди. Два металла и раствор (в отопительной и питьевой воде всегда имеется незначительное количество растворенных веществ) создают гальванический элемент, один электрод которого — железо, другой медь:

2Ее -> 2Ее2+ + 4е; 2Н20 + 02 + 4е -> 40Н".

При образовании локального элемента атомы железа, становясь ионами Ее2+, переходят в раствор под действием притяжения молекул воды — диполей, при этом образовавшийся на поверхности медных элементов гидроксил отбирает свободные электроны.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >