Коррозия — это естественный процесс , который превращает очищенный металл в более химически устойчивый оксид . Это постепенное ухудшение свойств материалов (обычно металла) в результате химической или электрохимической реакции с окружающей средой. Коррозионная инженерия — это область, посвященная контролю и предотвращению коррозии. [1] [2]
В наиболее распространенном использовании этого слова это означает электрохимическое окисление металла в реакции с окислителем, таким как кислород , водород или гидроксид. Ржавление , образование красно-оранжевых оксидов железа , является хорошо известным примером электрохимической коррозии. Этот тип коррозии обычно производит оксиды или соли исходного металла и приводит к характерной окраске. Коррозия может также происходить в материалах, отличных от металлов, таких как керамика или полимеры , хотя в этом контексте термин «деградация» более распространен. Коррозия ухудшает полезные свойства материалов и конструкций, включая механическую прочность, внешний вид и проницаемость для жидкостей и газов. Коррозионный отличается от едкого: первый подразумевает механическую деградацию, второй — химическую. [3]
Многие конструкционные сплавы корродируют просто от воздействия влаги в воздухе, но на этот процесс может сильно влиять воздействие определенных веществ. Коррозия может быть сосредоточена локально, образуя ямку или трещину, или она может распространяться на большую площадь, более или менее равномерно разъедая поверхность. Поскольку коррозия является процессом, контролируемым диффузией , она происходит на открытых поверхностях. В результате методы снижения активности открытых поверхностей, такие как пассивация и хроматирование , могут повысить коррозионную стойкость материала. Однако некоторые механизмы коррозии менее заметны и менее предсказуемы.
Химия коррозии сложна; ее можно считать электрохимическим явлением. Во время коррозии в определенном месте на поверхности предмета из железа происходит окисление, и это место ведет себя как анод . Электроны, высвобождаемые в этом анодном месте, перемещаются через металл в другое место на предмете и восстанавливают кислород в этом месте в присутствии H + (который, как полагают, доступен из угольной кислоты ( H 2 CO 3 ), образованной из-за растворения углекислого газа из воздуха в воде во влажном воздушном состоянии атмосферы. Ион водорода в воде также может быть доступен из-за растворения других кислотных оксидов из атмосферы). Это место ведет себя как катод .
Гальваническая коррозия происходит, когда два разных металла имеют физический или электрический контакт друг с другом и погружены в общий электролит , или когда один и тот же металл подвергается воздействию электролита с различной концентрацией. В гальванической паре более активный металл (анод) корродирует с ускоренной скоростью, а более благородный металл (катод) корродирует с более медленной скоростью. При раздельном погружении каждый металл корродирует со своей скоростью. Какой тип металла(ов) использовать, легко определить, следуя гальваническому ряду . Например, цинк часто используется в качестве жертвенного анода для стальных конструкций. Гальваническая коррозия представляет большой интерес для морской промышленности, а также везде, где вода (содержащая соли) контактирует с трубами или металлическими конструкциями.
Такие факторы, как относительный размер анода , типы металла и условия эксплуатации ( температура , влажность , соленость и т. д.) влияют на гальваническую коррозию. [4] Соотношение площадей поверхности анода и катода напрямую влияет на скорость коррозии материалов. Гальваническая коррозия часто предотвращается путем использования жертвенных анодов .
В любой заданной среде (одной стандартной средой является аэрированная морская вода комнатной температуры ) один металл будет либо более благородным , либо более активным , чем другие, в зависимости от того, насколько сильно его ионы связаны с поверхностью. Два металла в электрическом контакте разделяют одни и те же электроны, так что «перетягивание каната» на каждой поверхности аналогично конкуренции за свободные электроны между двумя материалами. Используя электролит в качестве хозяина для потока ионов в одном направлении, благородный металл будет забирать электроны у активного. Результирующий массовый поток или электрический ток можно измерить, чтобы установить иерархию материалов в интересующей среде. Эта иерархия называется гальваническим рядом и полезна для прогнозирования и понимания коррозии.
Часто возможно химическое удаление продуктов коррозии. Например, фосфорная кислота в форме морского желе часто применяется к железным инструментам или поверхностям для удаления ржавчины. Удаление коррозии не следует путать с электрополировкой , которая удаляет некоторые слои основного металла, чтобы сделать поверхность гладкой. Например, фосфорную кислоту также можно использовать для электрополировки меди, но она делает это, удаляя медь, а не продукты коррозии меди.
Некоторые металлы по своей природе более устойчивы к коррозии, чем другие (некоторые примеры см. в гальваническом ряду ). Существуют различные способы защиты металлов от коррозии (окисления), включая покраску, горячее цинкование , катодную защиту и их комбинации. [5]
Наиболее устойчивыми к коррозии являются те материалы, для которых коррозия термодинамически невыгодна. Любые продукты коррозии золота или платины имеют тенденцию к самопроизвольному разложению в чистый металл, поэтому эти элементы можно найти в металлической форме на Земле, и они долгое время ценились. Более распространенные «базовые» металлы можно защитить только более временными средствами.
Некоторые металлы имеют естественную медленную кинетику реакции , хотя их коррозия термодинамически благоприятна. К ним относятся такие металлы, как цинк , магний и кадмий . Хотя коррозия этих металлов непрерывна и продолжается, она происходит с приемлемо низкой скоростью. Крайним примером является графит , который выделяет большое количество энергии при окислении , но имеет такую медленную кинетику, что он фактически невосприимчив к электрохимической коррозии в нормальных условиях.
Пассивация относится к спонтанному образованию сверхтонкой пленки продуктов коррозии, известной как пассивная пленка, на поверхности металла, которая действует как барьер для дальнейшего окисления. Химический состав и микроструктура пассивной пленки отличаются от основного металла. Типичная толщина пассивной пленки на алюминии, нержавеющей стали и сплавах составляет 10 нанометров. Пассивная пленка отличается от оксидных слоев, которые образуются при нагревании и находятся в микрометровом диапазоне толщины — пассивная пленка восстанавливается при удалении или повреждении, тогда как оксидный слой — нет. Пассивация в естественных средах, таких как воздух, вода и почва, при умеренном pH наблюдается в таких материалах, как алюминий , нержавеющая сталь , титан и кремний .
Пассивация в первую очередь определяется металлургическими и экологическими факторами. Влияние pH суммируется с использованием диаграмм Пурбэ , но многие другие факторы также оказывают влияние. Некоторые условия, которые подавляют пассивацию, включают высокий pH для алюминия и цинка, низкий pH или присутствие ионов хлорида для нержавеющей стали, высокую температуру для титана (в этом случае оксид растворяется в металле, а не в электролите) и ионы фторида для кремния. С другой стороны, необычные условия могут привести к пассивации материалов, которые обычно не защищены, как щелочная среда бетона для стальной арматуры . Воздействие жидкого металла, такого как ртуть или горячий припой, часто может обойти механизмы пассивации.
Пассивация чрезвычайно полезна для смягчения коррозионных повреждений, однако даже высококачественный сплав будет корродировать, если его способность образовывать пассивирующую пленку затруднена. Правильный выбор правильного сорта материала для конкретной среды важен для долговременной работы этой группы материалов. Если разрушение пассивной пленки происходит из-за химических или механических факторов, то основными видами коррозии могут быть точечная коррозия , щелевая коррозия и коррозионное растрескивание под напряжением .
Определенные условия, такие как низкие концентрации кислорода или высокие концентрации видов, таких как хлорид, которые конкурируют как анионы , могут мешать способности данного сплава повторно формировать пассивирующую пленку. В худшем случае почти вся поверхность останется защищенной, но крошечные локальные колебания разрушат оксидную пленку в нескольких критических точках. Коррозия в этих точках будет значительно усилена и может вызвать коррозионные язвы нескольких типов, в зависимости от условий. Хотя коррозионные язвы зарождаются только в довольно экстремальных обстоятельствах, они могут продолжать расти даже когда условия возвращаются к норме, поскольку внутренняя часть язвы естественным образом лишена кислорода и локально pH снижается до очень низких значений, а скорость коррозии увеличивается из-за автокаталитического процесса. В экстремальных случаях острые кончики чрезвычайно длинных и узких коррозионных язв могут вызывать концентрацию напряжений до такой степени, что в противном случае прочные сплавы могут разрушиться; тонкая пленка, пронзенная невидимо маленьким отверстием, может скрыть от глаз язву размером с большой палец. Эти проблемы особенно опасны, поскольку их трудно обнаружить до того, как деталь или конструкция выйдет из строя . Питтинг остается одной из самых распространенных и разрушительных форм коррозии в пассивированных сплавах, [6] но его можно предотвратить, контролируя среду сплава.
Питтинг возникает, когда в металле образуется небольшое отверстие или полость, обычно в результате депассивации небольшой области. Эта область становится анодной, в то время как часть оставшегося металла становится катодной, вызывая локализованную гальваническую реакцию. Ухудшение состояния этой небольшой области проникает в металл и может привести к отказу. Эту форму коррозии часто трудно обнаружить из-за того, что она обычно относительно мала и может быть покрыта и скрыта соединениями, образующимися в результате коррозии.
Нержавеющая сталь может представлять особую опасность для коррозии, поскольку ее пассивирующее поведение зависит от наличия основного легирующего компонента ( хрома , не менее 11,5%). Из-за повышенных температур сварки и термообработки карбиды хрома могут образовываться на границах зерен нержавеющих сплавов. Эта химическая реакция лишает материал хрома в зоне вблизи границы зерен, делая эти области гораздо менее устойчивыми к коррозии. Это создает гальваническую пару с хорошо защищенным сплавом поблизости, что приводит к «распаду сварного шва» (коррозии границ зерен в зонах термического воздействия) в высококоррозионных средах. Этот процесс может со временем серьезно снизить механическую прочность сварных соединений.
Нержавеющая сталь считается «сенсибилизированной», если в ее микроструктуре образуются карбиды хрома. Типичная микроструктура нормализованной нержавеющей стали типа 304 не показывает признаков сенсибилизации, в то время как в сильно сенсибилизированной стали наблюдаются выделения по границам зерен. Темные линии в сенсибилизированной микроструктуре представляют собой сети карбидов хрома, образованные вдоль границ зерен.
Специальные сплавы, либо с низким содержанием углерода, либо с добавлением углеродных « геттеров », таких как титан и ниобий (в типах 321 и 347 соответственно), могут предотвратить этот эффект, но последние требуют специальной термической обработки после сварки, чтобы предотвратить аналогичное явление «ножевой атаки». Как следует из названия, коррозия ограничивается очень узкой зоной, прилегающей к сварному шву, часто всего несколько микрометров в поперечнике, что делает ее еще менее заметной.
Щелевая коррозия — это локализованная форма коррозии, возникающая в замкнутых пространствах (щелях), к которым ограничен доступ рабочей жидкости из окружающей среды. Образование дифференциальной аэрационной ячейки [ необходимо дополнительное объяснение ] приводит к коррозии внутри щелей. Примерами щелей являются зазоры и контактные области между деталями, под прокладками или уплотнениями, внутри трещин и швов, пространства, заполненные отложениями, и под шламовыми кучами.
На щелевую коррозию влияют тип щели (металл-металл, металл-неметалл), геометрия щели (размер, отделка поверхности), а также металлургические и экологические факторы. Восприимчивость к щелевой коррозии можно оценить с помощью стандартных процедур ASTM. Критическая температура щелевой коррозии обычно используется для оценки стойкости материала к щелевой коррозии.
В химической промышленности водородное рифление представляет собой коррозию трубопроводов в канавках, созданных взаимодействием коррозионного агента, корродированных компонентов трубы и пузырьков водорода . [7] Например, когда серная кислота ( H 2 SO 4 ) протекает по стальным трубам, железо в стали реагирует с кислотой, образуя пассивирующее покрытие из сульфата железа ( FeSO 4 ) и газообразного водорода ( H 2 ). Покрытие сульфата железа защитит сталь от дальнейшей реакции; однако, если пузырьки водорода контактируют с этим покрытием, оно будет удалено. Таким образом, канавка может быть образована движущимся пузырем, подвергая больше стали воздействию кислоты, вызывая порочный цикл . Желобок усугубляется тенденцией последующих пузырьков следовать по тому же пути.
Высокотемпературная коррозия — это химическое разрушение материала (обычно металла) в результате нагрева. Эта негальваническая форма коррозии может возникнуть, когда металл подвергается воздействию горячей атмосферы, содержащей кислород, серу (« сульфидирование ») или другие соединения, способные окислять (или способствовать окислению) рассматриваемого материала. Например, материалы, используемые в аэрокосмической промышленности, производстве электроэнергии и даже в автомобильных двигателях, должны выдерживать длительные периоды высокой температуры, в течение которых они могут подвергаться воздействию атмосферы, содержащей потенциально высококоррозионные продукты сгорания.
Некоторые продукты высокотемпературной коррозии потенциально могут быть обращены в пользу инженера. Например, образование оксидов на нержавеющей стали может обеспечить защитный слой, предотвращающий дальнейшее атмосферное воздействие, что позволяет использовать материал в течение длительных периодов времени как при комнатной, так и при высокой температуре в агрессивных условиях. Такие продукты высокотемпературной коррозии в виде уплотненных оксидных слоев глазури предотвращают или уменьшают износ во время высокотемпературного скользящего контакта металлических (или металлических и керамических) поверхностей. Термическое окисление также обычно используется для производства контролируемых оксидных наноструктур, включая нанопроволоки и тонкие пленки.
Микробная коррозия , или обычно известная как коррозия под воздействием микробов (MIC), представляет собой коррозию, вызванную или стимулируемую микроорганизмами , обычно хемоавтотрофами . Она может применяться как к металлическим, так и к неметаллическим материалам, в присутствии или в отсутствие кислорода. Сульфатредуцирующие бактерии активны в отсутствие кислорода (анаэробные); они производят сероводород , вызывая сульфидное растрескивание под напряжением . В присутствии кислорода (аэробные) некоторые бактерии могут напрямую окислять железо до оксидов и гидроксидов железа, другие бактерии окисляют серу и производят серную кислоту, вызывая биогенную сульфидную коррозию . Концентрационные ячейки могут образовываться в отложениях продуктов коррозии, что приводит к локальной коррозии.
Ускоренная коррозия при низком уровне воды (ALWC) является особенно агрессивной формой MIC, которая поражает стальные сваи в морской воде вблизи отметки отлива. Она характеризуется оранжевым шламом, который пахнет сероводородом при обработке кислотой. Скорость коррозии может быть очень высокой, и проектные допуски на коррозию вскоре могут быть превышены, что приведет к преждевременному выходу стальной сваи из строя. [8] Сваи, которые были покрыты и имели катодную защиту, установленную во время строительства, не подвержены ALWC. Для незащищенных свай можно установить жертвенные аноды локально на пораженных участках, чтобы замедлить коррозию, или можно установить полную модернизированную систему жертвенных анодов. Пораженные участки также можно обработать с помощью катодной защиты, используя либо жертвенные аноды, либо подавая ток на инертный анод для создания известкового осадка, который поможет защитить металл от дальнейшего воздействия.
Металлическая пыль — это катастрофическая форма коррозии, которая возникает, когда восприимчивые материалы подвергаются воздействию сред с высокой активностью углерода, таких как синтез-газ и другие среды с высоким содержанием CO. Коррозия проявляется как распад основного металла на металлический порошок. Предполагаемый механизм — это, во-первых, осаждение графитового слоя на поверхности металла, обычно из оксида углерода (CO) в паровой фазе. Затем считается, что этот графитовый слой образует метастабильные виды M 3 C (где M — металл), которые мигрируют от поверхности металла. Однако в некоторых режимах виды M 3 C не наблюдаются, что указывает на прямой перенос атомов металла в графитовый слой.
Различные методы обработки используются для замедления коррозионного повреждения металлических предметов, которые подвергаются воздействию погоды, соленой воды, кислот или других агрессивных сред. Некоторые незащищенные металлические сплавы чрезвычайно уязвимы для коррозии, например, те, которые используются в неодимовых магнитах , которые могут раскалываться или рассыпаться в порошок даже в сухих, температурно-стабильных помещениях, если их не обработать должным образом.
При использовании поверхностной обработки для уменьшения коррозии необходимо проявлять особую осторожность, чтобы обеспечить полное покрытие без зазоров, трещин или дефектов в виде точечных отверстий. Небольшие дефекты могут стать « ахиллесовой пятой », позволяя коррозии проникать внутрь и вызывая обширные повреждения, даже если внешний защитный слой остается внешне неповрежденным в течение определенного периода времени.
Гальванопокрытие , покраска и нанесение эмали являются наиболее распространенными антикоррозионными обработками. Они работают, обеспечивая барьер из коррозионно-стойкого материала между разрушающей средой и конструкционным материалом. Помимо косметических и производственных проблем, могут быть компромиссы между механической гибкостью и устойчивостью к истиранию и высоким температурам. Гальванопокрытия обычно выходят из строя только на небольших участках, но если покрытие более благородное, чем подложка (например, хром на стали), гальваническая пара вызовет коррозию любой открытой области гораздо быстрее, чем непокрытая поверхность. По этой причине часто разумно покрывать поверхность активным металлом, таким как цинк или кадмий . Если цинковое покрытие недостаточно толстое, поверхность вскоре становится неприглядной с очевидной ржавчиной. Расчетный срок службы напрямую связан с толщиной металлического покрытия.
Окрашивание валиком или кистью более желательно для тесных пространств; распыление будет лучше для больших площадей покрытия, таких как стальные палубы и прибрежные применения. Гибкие полиуретановые покрытия, такие как Durabak-M26, например, могут обеспечить антикоррозионное уплотнение с высокопрочной нескользящей мембраной. Окрашенные покрытия относительно легко наносятся и имеют быстрое время высыхания, хотя температура и влажность могут привести к изменению времени высыхания.
Если окружающая среда контролируется (особенно в рециркуляционных системах), в нее часто можно добавлять ингибиторы коррозии . Эти химикаты образуют электроизолирующее или химически непроницаемое покрытие на открытых металлических поверхностях, чтобы подавить электрохимические реакции. Такие методы делают систему менее чувствительной к царапинам или дефектам покрытия, поскольку дополнительные ингибиторы могут быть доступны везде, где металл становится открытым. Химикаты, которые ингибируют коррозию, включают некоторые соли в жесткой воде (римские водные системы известны своими минеральными отложениями ), хроматы , фосфаты , полианилин , другие проводящие полимеры и широкий спектр специально разработанных химикатов, которые напоминают поверхностно-активные вещества (т. е. длинноцепочечные органические молекулы с ионными концевыми группами).
Алюминиевые сплавы часто подвергаются поверхностной обработке. Электрохимические условия в ванне тщательно регулируются таким образом, чтобы в оксидной пленке металла появлялись равномерные поры шириной в несколько нанометров . Эти поры позволяют оксиду расти намного толще, чем это позволяют условия пассивации. В конце обработки порам дают запечататься, образуя более твердый, чем обычно, поверхностный слой. Если это покрытие поцарапано, обычные процессы пассивации вступают в силу, чтобы защитить поврежденную область.
Анодирование очень устойчиво к атмосферным воздействиям и коррозии, поэтому его обычно используют для фасадов зданий и других областей, где поверхность будет регулярно контактировать с элементами. Несмотря на свою устойчивость, его необходимо часто чистить. Если оставить без очистки, естественным образом появятся пятна на краях панелей . Анодирование — это процесс преобразования анода в катод путем приведения в контакт с ним более активного анода.
Новая форма защиты была разработана путем нанесения определенных видов бактериальных пленок на поверхность металлов в высококоррозионных средах. Этот процесс существенно увеличивает коррозионную стойкость. В качестве альтернативы, биопленки, вырабатывающие антимикробные вещества , могут использоваться для ингибирования коррозии мягкой стали от сульфатредуцирующих бактерий . [9]
Опалубка с контролируемой проницаемостью (CPF) — это метод предотвращения коррозии арматуры путем естественного повышения долговечности покрытия во время укладки бетона. CPF используется в средах для борьбы с эффектами карбонизации , хлоридов, мороза и истирания.
Катодная защита (CP) — это метод контроля коррозии металлической поверхности путем превращения ее в катод электрохимической ячейки . Системы катодной защиты чаще всего используются для защиты стальных трубопроводов и резервуаров; стальных свай пирса , судов и морских нефтяных платформ .
Для эффективного CP потенциал стальной поверхности поляризуется (выталкивается) более отрицательно, пока поверхность металла не будет иметь однородный потенциал. При однородном потенциале движущая сила коррозионной реакции останавливается. Для гальванических систем CP материал анода корродирует под воздействием стали, и в конечном итоге его необходимо заменить. Поляризация вызывается потоком тока от анода к катоду, вызванным разницей в электродном потенциале между анодом и катодом. Наиболее распространенными материалами жертвенных анодов являются алюминий, цинк, магний и родственные сплавы. Алюминий имеет самую высокую емкость, а магний имеет самое высокое возбуждающее напряжение и, таким образом, используется там, где сопротивление выше. Цинк является универсальным и основой для гальванизации.
С жертвенными анодами связано множество проблем. Среди них, с точки зрения экологии, — выброс цинка, магния, алюминия и тяжелых металлов, таких как кадмий , в окружающую среду, включая морскую воду. С рабочей точки зрения системы жертвенных анодов считаются менее точными, чем современные системы катодной защиты, такие как системы катодной защиты с наложенным током (ICCP). Их способность обеспечивать необходимую защиту должна регулярно проверяться с помощью подводного осмотра водолазами. Кроме того, поскольку они имеют ограниченный срок службы, жертвенные аноды необходимо регулярно заменять с течением времени. [10]
Для более крупных структур гальванические аноды не могут экономически обеспечить достаточный ток для обеспечения полной защиты. Системы катодной защиты с наложенным током (ICCP) используют аноды, подключенные к источнику питания постоянного тока (например, выпрямителю катодной защиты ). Аноды для систем ICCP представляют собой трубчатые и сплошные стержневые формы из различных специализированных материалов. К ним относятся чугун с высоким содержанием кремния , графит, смешанный оксид металла или покрытые платиной титановые или ниобиевые стержни и провода.
Анодная защита накладывает анодный ток на защищаемую конструкцию (в отличие от катодной защиты). Подходит для металлов, которые проявляют пассивность (например, нержавеющая сталь) и достаточно малый пассивный ток в широком диапазоне потенциалов. Используется в агрессивных средах, таких как растворы серной кислоты. Анодная защита — это электрохимический метод защиты от коррозии, при котором металл остается в пассивном состоянии.
Образование оксидного слоя описывается моделью Deal–Grove , которая используется для прогнозирования и контроля образования оксидного слоя в различных ситуациях. Простым тестом для измерения коррозии является метод потери веса. [11] Метод включает в себя воздействие чистого взвешенного куска металла или сплава на коррозионную среду в течение определенного времени с последующей очисткой для удаления продуктов коррозии и взвешиванием куска для определения потери веса. Скорость коррозии ( R ) рассчитывается как
где k — константа, W — потеря веса металла за время t , A — площадь поверхности металла, подвергающегося воздействию, а ρ — плотность металла (в г/см 3 ).
Другими распространенными выражениями для скорости коррозии являются глубина проникновения и изменение механических свойств.
В 2002 году Федеральное управление автомагистралей США опубликовало исследование под названием «Расходы на коррозию и профилактические стратегии в Соединенных Штатах» о прямых расходах, связанных с коррозией металлов в промышленности США. В 1998 году общие годовые прямые расходы на коррозию в США составили примерно 276 миллиардов долларов (или 3,2% от валового внутреннего продукта США на тот момент). [12] Если разбить экономические потери на пять конкретных отраслей, то они составят 22,6 миллиарда долларов в инфраструктуре, 17,6 миллиарда долларов в производстве и изготовлении, 29,7 миллиарда долларов в транспорте, 20,1 миллиарда долларов в государственном секторе и 47,9 миллиарда долларов в коммунальных службах. [13]
Ржавчина является одной из наиболее распространенных причин аварий на мостах. Поскольку ржавчина вытесняет гораздо больший объем, чем исходная масса железа, ее накопление также может привести к поломке, раздвигая соседние компоненты. Это стало причиной обрушения моста через реку Мианус в 1983 году, когда опорные подшипники заржавели изнутри и оттолкнули один угол дорожной плиты от ее опоры. Три водителя, находившихся в то время на проезжей части, погибли, когда плита упала в реку внизу. Последующее расследование NTSB показало, что сток на дороге был заблокирован для восстановления дорожного покрытия и не был разблокирован; в результате сток воды проник в опорные кронштейны. Ржавчина также была важным фактором в катастрофе на Серебряном мосту 1967 года в Западной Вирджинии , когда стальной подвесной мост рухнул в течение минуты, в результате чего погибли 46 водителей и пассажиров, находившихся на мосту в то время.
Аналогично, коррозия стали и железа, покрытых бетоном, может привести к растрескиванию бетона , создавая серьезные структурные проблемы. Это один из наиболее распространенных видов отказов железобетонных мостов . Измерительные приборы, основанные на потенциале полуэлемента, могут обнаружить потенциальные пятна коррозии до того, как будет достигнут полный отказ бетонной конструкции.
Еще 20–30 лет назад оцинкованные стальные трубы широко использовались в системах подачи питьевой воды для одно- и многоквартирных домов, а также в коммерческом и общественном строительстве. Сегодня эти системы давно израсходовали защитный цинк и подвергаются внутренней коррозии, что приводит к ухудшению качества воды и поломкам труб. [14] Экономические последствия для домовладельцев, жильцов кондоминиумов и общественной инфраструктуры оцениваются в 22 миллиарда долларов, поскольку страховая отрасль готовится к волне исков из-за поломок труб.
Большинство керамических материалов почти полностью невосприимчивы к коррозии. Прочные химические связи , которые удерживают их вместе, оставляют очень мало свободной химической энергии в структуре; их можно считать уже корродированными. Когда коррозия действительно происходит, это почти всегда простое растворение материала или химическая реакция, а не электрохимический процесс. Распространенным примером защиты от коррозии в керамике является известь, добавляемая в натриево-кальциевое стекло для снижения его растворимости в воде; хотя она и не так растворима, как чистый силикат натрия , обычное стекло действительно образует субмикроскопические дефекты при воздействии влаги. Из-за своей хрупкости такие дефекты вызывают резкое снижение прочности стеклянного предмета в течение первых нескольких часов при комнатной температуре.
Деградация полимеров включает в себя несколько сложных и часто плохо понимаемых физико-химических процессов. Они разительно отличаются от других процессов, обсуждаемых здесь, и поэтому термин «коррозия» применяется к ним только в широком смысле слова. Из-за их большой молекулярной массы, очень мало энтропии может быть получено путем смешивания заданной массы полимера с другим веществом, что делает их, как правило, довольно сложными для растворения. Хотя растворение является проблемой в некоторых применениях полимеров, спроектировать против него относительно просто.
Более распространенной и связанной проблемой является «набухание», когда небольшие молекулы проникают в структуру, снижая прочность и жесткость и вызывая изменение объема. Наоборот, многие полимеры (особенно гибкий винил ) намеренно набухают с помощью пластификаторов , которые могут вымываться из структуры, вызывая хрупкость или другие нежелательные изменения.
Однако наиболее распространенной формой деградации является уменьшение длины полимерной цепи. Механизмы, которые разрывают полимерные цепи, знакомы биологам из-за их воздействия на ДНК : ионизирующее излучение (чаще всего ультрафиолетовый свет), свободные радикалы и окислители, такие как кислород, озон и хлор . Растрескивание под действием озона является хорошо известной проблемой, влияющей, например, на натуральный каучук . Пластиковые добавки могут очень эффективно замедлять эти процессы и могут быть такими простыми, как пигмент , поглощающий УФ-излучение (например, диоксид титана или сажа ). Пластиковые пакеты для покупок часто не включают эти добавки, поэтому они легче распадаются на сверхтонкие частицы мусора .
Стекло характеризуется высокой степенью коррозионной стойкости. Благодаря своей высокой водостойкости оно часто используется в качестве первичного упаковочного материала в фармацевтической промышленности, поскольку большинство лекарств сохраняются в водном растворе. [15] Помимо водостойкости, стекло также устойчиво к воздействию некоторых химически агрессивных жидкостей или газов.
Болезнь стекла - это коррозия силикатных стекол в водных растворах . Она регулируется двумя механизмами: диффузионно - контролируемым выщелачиванием (ионным обменом) и гидролитическим растворением стеклянной сетки. [16] Оба механизма сильно зависят от pH контактирующего раствора: скорость ионного обмена уменьшается с pH как 10-0,5pH , тогда как скорость гидролитического растворения увеличивается с pH как 10-0,5pH . [17]
Математически скорости коррозии стекол характеризуются нормированными скоростями коррозии элементов NR i (г/см 2 ·сут), которые определяются как отношение общего количества выделившихся в воду частиц M i (г) к площади поверхности контакта с водой S (см 2 ), времени контакта t (сут) и массовой доле содержания элемента в стекле f i :
Общая скорость коррозии представляет собой сумму вкладов обоих механизмов (выщелачивание + растворение): NR i =NR x i +NR h . Диффузионно-контролируемое выщелачивание (ионный обмен) характерно для начальной фазы коррозии и включает замену щелочных ионов в стекле ионом гидроксония (H 3 O + ) из раствора. Оно вызывает ионно-селективное истощение приповерхностных слоев стекол и дает обратную квадратно-корневую зависимость скорости коррозии от времени воздействия. Диффузионно-контролируемая нормализованная скорость выщелачивания катионов из стекол (г/см 2 ·д) определяется по формуле:
где t – время, D i – эффективный коэффициент диффузии i- го катиона (см 2 /сут), который зависит от pH контактирующей воды как D i = D i 0 ·10 –pH , а ρ – плотность стекла (г/см 3 ).
Растворение стеклянной сетки характерно для более поздних фаз коррозии и вызывает конгруэнтное высвобождение ионов в водный раствор с независимой от времени скоростью в разбавленных растворах (г/см2 · д):
где r h — стационарная скорость гидролиза (растворения) стекла (см/д). В закрытых системах потребление протонов из водной фазы увеличивает pH и вызывает быстрый переход к гидролизу. [18] Однако дальнейшее насыщение раствора кремнеземом затрудняет гидролиз и заставляет стекло вернуться к ионному обмену; например, к диффузионно-контролируемому режиму коррозии.
В типичных природных условиях нормализованные скорости коррозии силикатных стекол очень низки и составляют порядка 10−7–10−5 г /(см2 · д ). Очень высокая прочность силикатных стекол в воде делает их пригодными для иммобилизации опасных и ядерных отходов.
Существуют многочисленные стандартизированные процедуры для измерения коррозии (также называемой химической стойкостью ) стекол в нейтральных, основных и кислых средах, в условиях, имитирующих условия окружающей среды, в имитирующих биологические жидкости, при высоких температурах и давлении [20] и в других условиях.
Стандартная процедура ISO 719 [21] описывает испытание экстракции водорастворимых основных соединений в нейтральных условиях: 2 г стекла, размер частиц 300–500 мкм, выдерживают в течение 60 мин в 50 мл деионизированной воды 2-го класса при 98 °C; 25 мл полученного раствора титруют 0,01 моль/л раствором HCl . Объем HCl, необходимый для нейтрализации, классифицируют в соответствии с таблицей ниже.
Стандартизированный тест ISO 719 не подходит для стекол с низким или неизвлекаемым содержанием щелочных компонентов, но которые все же подвержены воздействию воды, например, кварцевое стекло , стекло B2O3 или стекло P2O5 .
Обычные очки делятся на следующие классы:
Большинство производителей водонагревателей рекомендуют проверять состояние жертвенного анода каждые один (1) - три (3) года и заменять его, когда он израсходован более чем на 50%
