Що таке корозія і як захиститись від неї

Корозія є повсюдним природним процесом. Більшість із нас у певний момент повсякденного життя знайомляться з впливом корозії на іржавих металевих деталях. Корозія може мати величезний економічний вплив. Майже п’ята частина світового річного виробництва сталі йде на заміну металевих деталей, пошкоджених корозією.

Для систем кріплення це ще важливіше, оскільки безпека є ключовою. Відмова через корозію може мати драматичні наслідки. Незважаючи на високу обізнаність і високу вартість, вплив корозії на анкери не завжди повністю враховується в процесі проектування. Коли ми заглибимося в тему, ви побачите неминучість корозії металевих анкерних систем і, таким чином, отримаєте розуміння важливості правильного попереднього визначення кріпильних рішень.

Що таке корозія?

Корозія — це фізико-хімічна взаємодія між металом і його навколишнім середовищем, що призводить до зміни властивостей металу та може призвести до значного функціонального погіршення металу, навколишнього середовища або технічної системи, частиною якої вони є (див. ISO 8044: 2010). Ми говоримо про корозію лише тоді, коли відбувається зміна властивостей металу або системи, що може призвести до небажаного результату. Це може варіюватися від погіршення візуальних характеристик до повної відмови технічних систем, що може завдати великих економічних збитків і, можливо, навіть становити небезпеку для людей. Для металів, які зазвичай використовуються в будівництві, таких як вуглецева сталь, нержавіюча сталь, цинк, мідь і алюміній, типовий процес корозії можна розглядати як зворотну реакцію виробництва металу з відповідних руд (див. малюнок нижче).

Рис. 1 Хімічні реакції заліза під час корозії та процес отримання металу

Типи корозійних реакцій

Як і всі хімічні реакції, процеси корозії відбуваються, коли умови сприяють відповідним хімічним реакціям (термодинаміка). Інші фактори впливають на швидкість реакції (кінетика). Ми будемо розрізняти загальні типи корозії, що загалом описують взаємодію між металом і навколишнім середовищем, і форми корозії, що описують їх найпоширеніші прояви. Найпоширенішою корозійною реакцією є електрохімічний характер. Такі реакції передбачають електричний обмін за допомогою електронів у металі та іонів у провідному електроліті, наприклад водяній плівці на поверхні металу.

Реакції можуть відбуватися на поверхні металу в однорідному розподілі, що призводить до рівномірного впливу, або можуть відбуватися локально та окремо, що призводить до локалізованих форм корозії, таких як точкова корозія. Природа корозійної реакції призводить до наступних необхідних вимог для корозії:

• провідний метал

• електроліт (достатньо тонкої плівки вологи на поверхні)

• кисень для катодної реакції

Рис. 2 Впливи на реакцію атмосферної корозії

Форма корозії 1: рівномірна корозія

Рівномірна корозія — це форма корозії, при якій поверхня кородує майже рівномірно. Часткові реакції (розчинення металу та відновлення кисню) статистично розподіляються по поверхні, що призводить до більш-менш однорідного розчинення металу та рівномірного утворення продуктів корозії (наприклад, червона іржа на сталі). Ступінь цієї форми корозії зазвичай можна добре оцінити на основі попереднього досвіду. Швидкість корозії зазвичай вказується в мікрометрах на рік (мкм/рік). Використовуючи ці середні значення, можна розрахувати очікуваний термін служби компонента, а отже, збільшити його очікуваний термін служби за рахунок збільшення його товщини. Рівномірна корозія відбувається, наприклад, на незахищеній вуглецевій сталі та на сталі з оцинкованим покриттям за певних атмосферних умов.

Чистий однорідний корозійний вплив зустрічається рідко і навряд чи рівномірно вразить всю поверхню. Зазвичай існують ділянки, особливо на складних металевих частинах, які зазвичай кородують швидше, ніж інші поверхні, що призводить до шорсткості поверхні та нерівномірного покриття продуктами корозії (наприклад, іржа на сталі).

Рис. 3 Корозія металевих елементів

Форма корозії 2: Точкова корозія

Точкова корозія — це локалізована форма корозії, яка призводить до утворення невеликих отворів або «ямок» у металі (див. рис. нижче). Ця форма корозії в основному зустрічається на пасивних металах. Пасивні метали та сплави, такі як алюміній, титан і нержавіюча сталь, завдячують своєю корозійною стійкістю тонкому шару оксиду на поверхні товщиною лише кілька нанометрів. Процес корозії починається з локального руйнування пасивного шару. Локальний корозійний вплив на нержавіючі сталі може бути ініційовано, наприклад, іонами хлориду. Точкова корозія може бути досить проблематичною. Тоді як рівномірну корозію можна чітко побачити на поверхні, точкова корозія часто проявляється лише у вигляді невеликих точкових дірок на поверхні. Кількість матеріалу, видаленого під точковими отворами, як правило, невідома, оскільки можуть утворюватися приховані порожнини, що ускладнює виявлення та прогнозування точкової корозії. Технічно не існує розумного способу контролювати точкову корозію. Цю форму корозії слід виключити з самого початку через конструкцію та використання правильного матеріалу.

Рис. 4 Приклад точкової корозії на виробі з нержавіючої сталі

Форма корозії 3: Гальванічна (контактна) корозія

Гальванічна (контактна) корозія стосується корозійного пошкодження, коли два різнорідні метали мають електропровідне з’єднання та контактують із спільним корозійним електролітом. В електрохімічній моделі корозії одна з двох часткових реакцій (анодне розчинення металу та катодне відновлення кисню) відбувається майже виключно на одному металі.

Як правило, менш благородний метал розчиняється (анодне розчинення металу), тоді як більш благородна частина не піддається корозії (служить лише катодом для відновлення кисню). Там, де має місце гальванічна корозія, швидкість корозії менш благородного металу вища, ніж у вільному корозійному середовищі без контакту з іншим металом.

Позитивним прикладом активного використання описаного тут явища гальванічної корозії є спосіб захисту вуглецевих і низьколегованих сталей цинковим покриттям. Цинк є менш благородним металом, який активно захищає сталь від корозії. Приклад: розпірний анкер HST3 з вуглецевої сталі є оцинкованим кріпильним рішенням.

Рис. 5 Типовий випадок контактної корозії.

Оцинкована вуглецева сталь (шайба) і нержавіюча сталь (гвинт і частина) використовувалися разом. Площа поверхні благороднішого металу – нержавіючої сталі – більший, що спричиняє сильну корозію.

Культовий міст Золоті Ворота (Golden Gate Bridge) — це великий підвісний міст у США, який з’єднує північний край півострова Сан-Франциско з округом Марін. З головним прольотом 1280 метрів він перетинає 1,6-кілометрову протоку, яка з'єднує затоку Сан-Франциско з Тихим океаном.

Рис. 6 Культовий міст Золоті Ворота (Golden Gate Bridge)

Така велика конструкція повинна витримувати екстремальні умови. Однак міст було завершено в 1937 році, його історія є чудовим прикладом того, як вибір правильного захисту від корозії є критичним фактором для збереження металевих конструкцій. Оригінальний захист від корозії Золотих воріт забезпечувався шаром ґрунтовки сурику та фінішного покриття на основі свинцю, яке доповнювалося за потреби. З 1960-х років захист почали вдосконалювати, оскільки оригінальну фарбу було видалено та замінено на цинк-силікатну ґрунтовку та вінілове покриття. З 1990 року використовувалися акрилові покривні покриття, і тепер команда з 38 малярів запобігає корозії, постійно підправляючи лакофарбове покриття.

Цей нескінченний цикл перефарбовування коштує недешево. Навпаки, Американська асоціація гальванізаторів підрахувала, що якби конструкція спочатку була повністю гаряче оцинкована, вартість будівництва була б лише на 15% вищою – з додатковою перевагою, що витрати на технічне обслуговування та ремонт становили б близько 1 мільярда доларів США.

Як вибрати правильний захист від корозії?

Технології захисту від корозії вдосконалилися з 1930-х років, але ідея сьогодні залишається незмінною: інвестиції в правильний захист від корозії на початку будь-якого проекту, швидше за все, окупляться в довгостроковій перспективі.

Тим не менш, оцінка та вибір відповідних матеріалів не завжди є легким завданням. Ви повинні враховувати низку різних факторів, коли справа доходить до оцінки корозії. Зазвичай вони включають тип корозії та відповідні класи, параметри середовища та категорії стійкості.

Основи корозії

Рис. 7 Металеві вироби, які зазнали корозії

Корозія — це фізико-хімічна взаємодія між матеріалом (зазвичай металом) і навколишнім середовищем, що призводить до небажаних змін властивостей матеріалу. Це може призвести до значного функціонального погіршення матеріалу, навколишнього середовища або технічної системи, частиною якої є матеріальний компонент (див. ISO 8044:2010). На малюнку нижче показано хімічні реакції заліза під час корозії.

Рис. 8 Хімічні реакції заліза під час корозії

Розуміння різних типів корозії

Рівномірна корозія є найбільш традиційною формою корозії. Це забезпечує рівномірний розподіл продуктів корозії (наприклад, червона іржа на сталі). Ступінь цієї корозійної реакції зазвичай можна добре оцінити. Швидкість корозії вказана в мікрометрах на рік (мкм/год). Використовуючи ці середні значення, можна розрахувати очікуваний термін служби компонента і, таким чином, збільшити термін його служби за рахунок збільшення його товщини.

Рис. 9 Рівномірна корозія

Точкова корозія – це локальна корозія, яка призводить до утворення невеликих отворів або «ямок» у металі. Процес корозії починається з локального руйнування пасивного шару. Отвори можуть дуже швидко роз’їдатися в глибину, тоді як решта поверхні залишається неушкодженою. Нержавіюча сталь особливо чутлива до точкової корозії, як і інші пасивні метали, такі як алюміній та його сплави.

Рис. 10 Точкова корозія

Розтріскування, викликане воднем, включає подвійний процес корозії та деформації металу через прикладену або залишкову напругу. Цей тип корозії є комбінованим механічним і електрохімічним процесом, який призводить до розтріскування певних матеріалів. Внутрішні напруги в матеріалі можуть бути достатніми, щоб призвести до руйнування.

Рис. 11 Розтріскування, викликане воднем

Корозійне розтріскування під напругою може бути викликане утворенням хлоридів або водню під час реакції корозії (H ind SCC). Небезпечним джерелом водню є корозія цинкового покриття. Це обмежує використання оцинкованих виробів високої міцності лише в сухих приміщеннях.

Рис. 12 Корозійне розтріскування під напругою

Щілинна корозія – це локалізована форма корозії, яка виникає в тріщинах або тріщинах, утворених між двома поверхнями, виготовленими з одного металу, різних металів або навіть металу та неметалу. Він ініціюється обмеженим надходженням кисню з повітря в область щілини, що призводить до різних концентрацій розчиненого кисню.

Рис. 13 Щілинна корозія

Біметалева (гальванічна, контактна) корозія виникає, коли два різнорідні метали з’єднуються в корозійному електроліті. Як правило, менш благородний метал діє як анод і розчиняється, тоді як більш благородна частина є катодом і кородує повільніше, ніж окремо. Позитивним прикладом є те, як цинк захищає вуглецеві та низьколеговані сталі. Цинк є менш благородним металом, який жертовно захищає сталь, натомість піддається корозії.t

Рис. 14 Біметалева (гальванічна, контактна) корозія

Чому оцінка корозії є критичною?

Як правило, у типових конструкціях регулярні перевірки або технічне обслуговування через корозію часто зустрічаються з опором. Тому дуже важливо вибрати найкращий захист від корозії для проекту на етапі проектування, щоб не лише допомогти з перевірками та техобслуговуванням, але й краще уникнути майбутніх проблем. Як ви можете бачити з наведених нижче прикладів, неправильний захист від корозії може призвести до обмеженого терміну служби компонентів, дорогих ремонтних заходів або навіть катастрофічних збоїв.

Рис. 14 Анкер HDA з гальванічним покриттям після 7 років експлуатації в прибережному кліматі. Його типовий термін служби в 50 років не буде досягнуто.

Захист від корозії, що допомагає забезпечити термін служби та економію коштів

Корозія — це всюдисущий природний процес, який може мати величезний економічний вплив. Приблизно п’ята частина світового щорічного виробництва сталі йде просто на заміну деталей, пошкоджених корозією. Незважаючи на те, що це може спричинити більш високі початкові витрати, простий крок до розгляду захисту від корозії на етапі проектування може допомогти заощадити значну суму грошей і ресурсів у довгостроковій перспективі.

Захист матеріалів від корозії має важливе значення, якщо ви хочете краще переконатися, що матеріал і його загальне застосування відповідають або перевищують бажаний термін служби. Умови навколишнього середовища, окислення, стирання та кілька інших факторів негативно впливають на термін служби установки, але за допомогою правильного плану захисту ви можете захиститися від них – і згодом уникнути додаткових витрат на ремонт або заміну.

Більш детально з впливом корозії і захистом від неї ви можете ознайомитись в брошюрі.

Подумайте про те, що малярам досі платять за щоденну роботу над мостом Золоті Ворота понад 80 років після завершення будівництва!