Коррозия — это естественный процесс , который превращает очищенный металл в более химически стабильный оксид . Это постепенное разрушение материалов (обычно металла) в результате химической или электрохимической реакции с окружающей средой. Коррозионная инженерия — это область, посвященная контролю и предотвращению коррозии. [1]
В наиболее распространенном использовании этого слова это означает электрохимическое окисление металла в реакции с окислителем, таким как кислород , водород или гидроксид. Ржавчина , образование оксидов железа , является хорошо известным примером электрохимической коррозии. Этот тип повреждения обычно приводит к образованию оксида (ов) или соли (ов) исходного металла и приводит к характерному оранжевому цвету. Коррозия также может возникать в материалах, отличных от металлов, таких как керамика или полимеры , хотя в этом контексте более распространен термин «деградация». Коррозия ухудшает полезные свойства материалов и конструкций, в том числе механическую прочность, внешний вид, проницаемость для жидкостей и газов.
Многие конструкционные сплавы корродируют просто под воздействием влаги воздуха, но на этот процесс может сильно повлиять воздействие определенных веществ. Коррозия может быть сосредоточена локально с образованием ямки или трещины или может распространяться на большую площадь, более или менее равномерно разъедая поверхность. Поскольку коррозия представляет собой процесс, контролируемый диффузией , она возникает на открытых поверхностях. В результате методы снижения активности открытой поверхности, такие как пассивация и хроматная конверсия , могут повысить коррозионную стойкость материала. Однако некоторые механизмы коррозии менее заметны и менее предсказуемы.
Химия коррозии сложна; это 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 пятне, перемещаются через металл к другому месту на объекте и восстанавливают кислород в этом месте в присутствии H + (который, как полагают, доступен из угольной кислоты ( H 2 CO 3 ), образующейся в результате растворения углекислый газ из воздуха в воду во влажных условиях атмосферы.Ионы водорода в воде также могут поступать в результате растворения других кислотных оксидов из атмосферы). Это пятно ведет себя как катод .
Гальваническая коррозия возникает, 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 разными концентрациями. В гальванической паре более активный металл (анод) корродирует с ускорением, а более благородный металл (катод) – с меньшей скоростью. При раздельном погружении каждый металл ржавеет 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.
На гальваническую коррозию влияют такие факторы, как относительный размер анода , тип металла и условия эксплуатации ( температура , влажность , соленость и т. д.). [2] Соотношение площадей поверхностей анода и катода напрямую влияет на скорость коррозии материалов. Гальваническую коррозию часто можно предотвратить использованием жертвенных анодов .
В любой конкретной среде (одна стандартная среда — 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 имеют одни и те же электроны, так что «перетягивание каната» на каждой поверхности аналогично конкуренции за свободные электроны между двумя материалами. Используя электролит как хозяин для потока ионов в том же направлении, благородный металл будет отбирать электроны у активного. Результирующий массовый расход или электрический ток можно измерить, чтобы установить иерархию материалов в интересующей среде. Эта иерархия называется гальваническим рядом и полезна для прогнозирования и понимания коррозии.
Зачастую продукты коррозии можно удалить химическим путем. Например, фосфорную кислоту в виде морского желе часто наносят на инструменты или поверхности из черных металлов для удаления ржавчины. Удаление коррозии не следует путать с электрополировкой , при которой удаляются некоторые слои основного металла, чтобы поверхность стала гладкой. Например, фосфорную кислоту также можно использовать для электрополировки меди, но при этом удаляется медь, а не продукты коррозии меди.
Некоторые металлы более устойчивы к коррозии, чем другие (некоторые примеры см. в разделе «Гальванический ряд »). Существуют различные способы защиты металлов от коррозии (окисления), включая покраску, горячее цинкование , катодную защиту и их комбинации. [3]
Наиболее устойчивыми к коррозии являются материалы, для которых коррозия термодинамически невыгодна. Любые продукты коррозии золота или платины имеют свойство самопроизвольно разлагаться на чистый металл, поэтому эти элементы можно найти на Земле в металлической форме и издавна ценят. Более распространенные «неблагородные» металлы можно защитить только временными средствами.
Некоторые металлы имеют естественную медленную кинетику реакции , хотя их коррозия термодинамически выгодна. К ним относятся такие металлы, как цинк , магний и кадмий . Хотя коррозия этих металлов непрерывна и продолжается, она происходит с приемлемо медленной скоростью. Крайним примером является графит , который выделяет большое количество энергии при окислении , но имеет настолько медленную кинетику, что эффективно невосприимчив к электрохимической коррозии при нормальных условиях.
Под пассивацией понимается самопроизвольное образование на поверхности металла ультратонкой пленки продуктов коррозии, известной как пассивная пленка, которая действует как барьер для дальнейшего окисления. Химический состав и микроструктура пассивной пленки отличаются от основного металла. Типичная толщина пассивной пленки на алюминии, нержавеющих сталях и сплавах находится в пределах 10 нанометров. Пассивная пленка отличается от оксидных слоев, которые образуются при нагревании и имеют толщину микрометра: пассивная пленка восстанавливается при удалении или повреждении, а оксидный слой - нет. Пассивация в природных средах, таких как воздух, вода и почва, при умеренном pH наблюдается у таких материалов, как алюминий , нержавеющая сталь , титан и кремний .
Пассивация в первую очередь определяется металлургическими и экологическими факторами. Влияние pH суммируется с помощью диаграмм Пурбе , но влияние оказывают и многие другие факторы. Некоторые условия, которые препятствуют пассивации, 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 фтора для кремния. . С другой стороны, необычные условия могут привести к пассивации материалов, которые обычно не защищены, как это происходит в щелочной среде бетона со стальной арматурой . Воздействие жидкого металла, такого как ртуть , или горячего припоя часто может обойти механизмы пассивации.
Пассивация чрезвычайно полезна для уменьшения коррозионных повреждений, однако даже высококачественный сплав будет подвергаться коррозии, если будет ограничена его способность образовывать пассивирующую пленку. Правильный выбор материала, подходящего для конкретной среды, важен для долгосрочной эксплуатации этой группы материалов. Если в пассивной пленке происходит разрушение из-за химических или механических факторов, в результате основные виды коррозии могут включать точечную коррозию , щелевую коррозию и коррозионное растрескивание под напряжением .
Определенные условия, такие как низкие концентрации кислорода или высокие концентрации таких веществ, как хлориды, которые конкурируют как анионы , могут препятствовать способности данного сплава повторно формировать пассивирующую пленку. В худшем случае почти вся поверхность останется защищенной, но небольшие локальные колебания разрушат оксидную пленку в нескольких критических точках. Коррозия в этих точках будет значительно усилена и в зависимости от условий может вызвать коррозионные язвы нескольких типов. Хотя коррозионные язвы зарождаются только в весьма экстремальных обстоятельствах, они могут продолжать расти даже тогда, когда условия возвращаются к нормальным, поскольку внутренняя часть язвы естественным образом лишена кислорода, а локально pH снижается до очень низких значений, а скорость коррозии увеличивается из-за автокаталитический процесс. В крайних случаях острые кончики чрезвычайно длинных и узких коррозионных язв могут вызвать концентрацию напряжений до такой степени, что в противном случае прочные сплавы могут разрушиться; тонкая пленка с невидимо маленьким отверстием может скрыть от глаз ямку 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 наиболее распространенных и разрушительных форм коррозии пассивированных сплавов [4] , но его можно предотвратить путем контроля окружающей среды в сплаве.
Питтинг возникает, когда в металле образуется небольшое отверстие или полость, обычно в результате депассивации небольшой площади. Эта область становится анодной, а часть оставшегося металла становится катодной, вызывая локализованную гальваническую реакцию. Разрушение этого небольшого участка проникает в металл и может привести к выходу из строя. Эту форму коррозии часто трудно обнаружить из-за того, что она обычно относительно невелика и может быть покрыта и скрыта соединениями, образующимися в результате коррозии.
Нержавеющая сталь может создавать особые проблемы с коррозией, поскольку ее пассивирующее поведение зависит от присутствия 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 границ зерен, что делает эти области гораздо менее устойчивыми к коррозии. При этом создается гальваническая пара с хорошо защищенным сплавом рядом, что приводит к «распаду сварного шва» (коррозии границ зерен в зонах термического влияния) в высокоагрессивных средах. Этот процесс со временем может серьезно снизить механическую прочность сварных соединений.
Нержавеющую сталь называют «сенсибилизированной», если в ее микроструктуре образуются карбиды хрома. Типичная микроструктура нормализованной нержавеющей стали типа 304 не имеет признаков сенсибилизации, тогда как сильно сенсибилизированная сталь демонстрирует наличие выделений на границах зерен. Темные линии в сенсибилизированной микроструктуре представляют собой сетки карбидов хрома, образовавшиеся по границам зерен.
Специальные сплавы либо с низким содержанием углерода, либо с добавлением углеродных « поглотителей », таких как титан и ниобий (типы 321 и 347 соответственно), могут предотвратить этот эффект, но последние требуют специальной термической обработки после сварки, чтобы предотвратить аналогичное явление «ножевая атака». Как следует из названия, коррозия ограничивается очень узкой зоной, прилегающей к сварному шву, часто шириной всего несколько микрометров, что делает ее еще менее заметной.
Щелевая коррозия — локализованная форма коррозии, возникающая в замкнутых пространствах (щелях), к которым ограничен доступ рабочей жидкости из окружающей среды. Образование ячейки дифференциальной аэрации [ требуется дальнейшее объяснение ] приводит к коррозии внутри щелей. Примерами щелей являются зазоры и зоны контакта между деталями, под прокладками или уплотнениями, внутренние трещины и швы, пространства, заполненные отложениями, а также под кучами шлама.
Щелевая коррозия зависит от типа щели (металл-металл, металл-неметалл), геометрии щели (размер, качество поверхности), а также металлургических факторов и факторов окружающей среды. Подверженность щелевой коррозии можно оценить с помощью стандартных процедур ASTM. Критическая температура щелевой коррозии обычно используется для оценки устойчивости материала к щелевой коррозии.
В химической промышленности водородная обработка канавок — это коррозия труб в канавках, возникающая в результате взаимодействия коррозионного агента, корродированных компонентов трубы и пузырьков газообразного водорода . [5] Например, когда серная кислота ( H 2 SO 4 ) течет по стальным трубам, железо в стали вступает в реакцию с кислотой, образуя пассивирующее покрытие из сульфата железа ( FeSO 4 ) и газообразного водорода ( H 2 ). Покрытие из сульфата железа защитит сталь от дальнейшей реакции; однако если пузырьки водорода контактируют с этим покрытием, оно будет удалено. Таким образом, движущийся пузырь может образовать канавку, подвергая больше стали воздействию кислоты, вызывая порочный круг . Образование канавок 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 (« сульфидейшн ») или другие соединения, способные окислять (или способствовать окислению) соответствующего 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 на пользу инженеру. Например, образование оксидов на нержавеющих сталях может обеспечить защитный слой, предотвращающий дальнейшее атмосферное воздействие, что позволяет использовать материал в течение длительного времени как при комнатной, так и при высоких температурах в агрессивных условиях. Такие продукты высокотемпературной коррозии в виде уплотненных оксидных слоев глазури предотвращают или уменьшают износ при высокотемпературном скользящем контакте металлических (или металлических и керамических) поверхностей. Термическое окисление также широко используется для создания контролируемых оксидных наноструктур, включая нанопроволоки и тонкие пленки.
Микробная коррозия , или широко известная как коррозия под микробиологическим влиянием (MIC), представляет собой коррозию, вызываемую или стимулируемую микроорганизмами , обычно хемоавтотрофами . Его можно применять как к металлическим, так и к неметаллическим материалам, в присутствии или в отсутствие кислорода. Сульфатвосстанавливающие бактерии активны в отсутствие кислорода (анаэробы); они производят сероводород , вызывая сульфидное растрескивание под напряжением . В присутствии кислорода (аэробные) некоторые бактерии могут непосредственно окислять железо до оксидов и гидроксидов железа, другие бактерии окисляют серу и выделяют серную кислоту, вызывая биогенную сульфидную коррозию . В отложениях продуктов коррозии могут образовываться концентрационные ячейки , приводящие к локальной коррозии.
Ускоренная коррозия при малой воде (ALWC) является особенно агрессивной формой MIC, которая поражает стальные сваи в морской воде вблизи отметки отлива. Для него характерен оранжевый осадок, который при обработке кислотой пахнет сероводородом. Скорость коррозии может быть очень высокой, а расчетные допуски на коррозию вскоре могут быть превышены, что приведет к преждевременному выходу из строя стальной сваи. [6] Сваи, имеющие покрытие и катодную защиту, установленную во время строительства, не подвержены ALWC. Для незащищенных свай жертвенные аноды могут быть установлены локально на пораженных участках для предотвращения коррозии или может быть установлена полностью модернизированная система жертвенных анодов. Пораженные участки также можно обработать с помощью катодной защиты, используя либо жертвенные аноды, либо подавая ток на инертный анод для образования известкового осадка, который поможет защитить металл от дальнейшего воздействия.
Металлическое пыление — 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 в виде распада металла на металлический порошок. Предполагаемый механизм - это, во-первых, осаждение графитового слоя на поверхности металла, обычно из оксида углерода (CO) в паровой фазе. Считается, что этот графитовый слой образует метастабильные частицы M 3 C (где M — металл), которые мигрируют от поверхности металла. Однако в некоторых режимах никаких частиц M 3 C не наблюдается, что указывает на прямой перенос атомов металла в графитовый слой.
Различные обработки используются для замедления коррозионного повреждения металлических предметов, которые подвергаются воздействию погодных условий, соленой воды, кислот или других агрессивных сред. Некоторые незащищенные металлические сплавы чрезвычайно уязвимы к коррозии, например сплавы, используемые в неодимовых магнитах , которые могут рассыпаться или рассыпаться в порошок даже в сухих, стабильных по температуре помещениях, если их не обработать должным образом.
Когда обработка поверхности используется для уменьшения коррозии, необходимо проявлять особую осторожность, чтобы обеспечить полное покрытие без зазоров, трещин или точечных дефектов. Небольшие дефекты могут действовать как « ахиллесова пята », позволяя коррозии проникать внутрь и вызывать значительные повреждения, даже если внешний защитный слой остается неповрежденным в течение определенного периода времени.
Гальваническое покрытие , покраска и нанесение эмали являются наиболее распространенными антикоррозионными обработками. Они работают, обеспечивая барьер из коррозионностойкого материала между вредной средой и конструкционным материалом. Помимо косметических и производственных проблем, может быть компромисс между механической гибкостью и устойчивостью к истиранию и высокой температуре. Покрытия обычно выходят из строя только на небольших участках, но если покрытие более благородное, чем подложка (например, хром на стали), гальваническая пара вызовет коррозию любого открытого участка гораздо быстрее, чем поверхность без покрытия. По этой причине часто целесообразно покрыть поверхность активным металлом, например цинком или кадмием . Если цинковое покрытие недостаточно толстое, поверхность вскоре станет неприглядной и начнет ржаветь. Расчетный срок службы напрямую зависит от толщины металлического покрытия.
В ограниченном пространстве предпочтительнее красить валиком или кистью; распыление лучше подойдет для покрытия больших площадей, таких как стальные настилы и набережная. Гибкие полиуретановые покрытия, такие как, например, Durabak-M26, могут обеспечить антикоррозийное уплотнение с высокопрочной противоскользящей мембраной. Окрашенные покрытия относительно легко наносятся и имеют быстрое время высыхания, хотя температура и влажность могут привести к изменению времени высыхания. В настоящее время органические покрытия, изготовленные с использованием полимеров на основе нефти, заменяются многими органическими покрытиями на основе возобновляемых источников. Среди различных носителей или связующих полиуретаны являются наиболее изученным полимером в таких попытках. [7]
Если окружающая среда контролируется (особенно в рециркуляционных системах), в нее часто можно добавлять ингибиторы коррозии . Эти химикаты образуют электроизоляционное или химически непроницаемое покрытие на открытых металлических поверхностях для подавления электрохимических реакций. Такие методы делают систему менее чувствительной к царапинам или дефектам покрытия, поскольку там, где металл подвергается воздействию, можно использовать дополнительные ингибиторы. Химические вещества, ингибирующие коррозию, включают некоторые соли жесткой воды (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. органические вещества с длинной цепью). молекулы с ионными концевыми группами).
Алюминиевые сплавы часто подвергаются поверхностной обработке. Электрохимические условия в ванне тщательно подбираются таким образом, чтобы в оксидной пленке металла появлялись однородные поры шириной в несколько нанометров . Эти поры позволяют оксиду становиться намного толще, чем позволяют условия пассивации. В конце обработки поры закрываются, образуя более твердый, чем обычно, поверхностный слой. Если это покрытие поцарапано, вступают в силу обычные процессы пассивации, защищающие поврежденный участок.
Анодирование очень устойчиво к атмосферным воздействиям и коррозии, поэтому его обычно используют для фасадов зданий и других участков, где поверхность будет регулярно контактировать с элементами. Несмотря на то, что он устойчив, его необходимо часто чистить. Если оставить панель без очистки, естественным образом появятся пятна на краях панели . Анодирование — это процесс преобразования анода в катод путем приведения в контакт с ним более активного анода.
Разработана новая форма защиты путем нанесения определенных видов бактериальных пленок на поверхность металлов в высокоагрессивных средах. Этот процесс существенно повышает коррозионную стойкость. Альтернативно, биопленки , продуцирующие антимикробные свойства , могут использоваться для предотвращения коррозии мягкой стали под действием сульфатвосстанавливающих бактерий . [8]
Опалубка с контролируемой проницаемостью (CPF) — это метод предотвращения коррозии арматуры за счет естественного повышения долговечности покрытия во время укладки бетона. CPF использовался в средах для борьбы с воздействием карбонизации , хлоридов, мороза и истирания.
Катодная защита (КП) — это метод борьбы с коррозией металлической поверхности, превращающий ее в катод электрохимической ячейки . Системы катодной защиты чаще всего используются для защиты стальных трубопроводов и резервуаров; стальные сваи причалов , корабли и морские нефтяные платформы .
Для эффективного CP потенциал стальной поверхности поляризуется (сдвигается) более отрицательно, пока поверхность металла не станет однородным потенциалом. При однородном потенциале движущая сила реакции коррозии останавливается. В гальванических системах CP материал анода корродирует под воздействием стали, и со временем его необходимо заменить. Поляризация вызывается протеканием тока от анода к катоду, вызванным разницей электродных потенциалов 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 напряжение возбуждения и поэтому используется там, где сопротивление выше. Цинк общего назначения и основа для гальванизации.
Ряд проблем связан с жертвенными анодами. Среди них, с экологической точки зрения, выбросы 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 наложенным током (ICCP). Их способность обеспечивать необходимую защиту должна регулярно проверяться водолазами посредством подводного осмотра. Кроме того, поскольку жертвенные аноды имеют ограниченный срок службы, их необходимо регулярно заменять с течением времени. [9]
Для более крупных конструкций гальванические аноды не могут экономически обеспечить достаточный ток для обеспечения полной защиты. В системах катодной защиты наложенным током (ICCP) используются аноды, подключенные к источнику постоянного тока (например, выпрямителю катодной защиты ). Аноды для систем ICCP представляют собой трубчатые и сплошные стержни из различных специализированных материалов. К ним относятся чугун с высоким содержанием кремния , графит, смешанные оксиды металлов или титановые стержни и проволоки с платиновым покрытием или ниобием.
Анодная защита передает анодный ток на защищаемую структуру (в отличие от катодной защиты). Он подходит для металлов, которые обладают пассивностью (например, нержавеющая сталь) и имеют достаточно малый пассивный ток в широком диапазоне потенциалов. Применяется в агрессивных средах, например растворах серной кислоты. Анодная защита – электрохимический метод защиты от коррозии путем удержания металла в пассивном состоянии.
Формирование оксидного слоя описывается моделью Дила-Гроува , которая используется для прогнозирования и контроля образования оксидного слоя в различных ситуациях. Простой тест для измерения коррозии – это метод потери веса. [10] Способ включает воздействие чистой навески куска металла или сплава на определенное время в коррозионную среду с последующей очисткой от продуктов коррозии и взвешиванием куска для определения потери веса. Скорость коррозии (R) рассчитывается как
где k — константа, W — потеря массы металла за время t , A — площадь поверхности незащищенного металла, 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 автомобильных дорог США опубликовало исследование под названием «Затраты на коррозию и профилактические стратегии в Соединенных Штатах», посвященное прямым затратам, связанным с коррозией металлов в промышленности США. В 1998 году общие годовые прямые затраты на коррозию в США составили ок. 276 миллиардов долларов (около 3,2% валового внутреннего продукта США ). [11] Экономические потери в инфраструктуре, разбитые на пять конкретных отраслей, составляют 22,6 миллиарда долларов; 17,6 миллиардов долларов в производстве и производстве; 29,7 миллиарда долларов на транспорт; 20,1 миллиарда долларов в правительстве; и 47,9 миллиардов долларов на коммунальные услуги. [12]
Ржавчина является одной из наиболее частых причин аварий на мостах. Поскольку ржавчина вытесняет гораздо больший объем, чем исходная масса железа, ее накопление также может привести к разрушению из-за разъединения соседних компонентов. Это стало причиной обрушения моста через реку Мианус в 1983 году, когда опорные подшипники проржавели изнутри и оттолкнули один угол дорожной плиты от ее опоры. Трое водителей, находившихся в то время на проезжей части, погибли, когда плита упала в реку внизу. Следующее расследование NTSB показало, что канализация на дороге была заблокирована для ремонта дороги и не была разблокирована; в результате сточные воды проникли в подвески опор. Ржавчина также сыграла важную роль в катастрофе Серебряного моста в 1967 году в Западной Вирджинии , когда стальной подвесной мост рухнул в течение минуты, в результате чего погибли 46 водителей и пассажиров, находившихся в то время на мосту.
Точно так же коррозия стали и железа, покрытых бетоном, может привести к растрескиванию бетона , создавая серьезные структурные проблемы. Это один из наиболее распространенных видов разрушения железобетонных мостов . Измерительные приборы, основанные на потенциале полуэлемента, могут обнаружить потенциальные пятна коррозии до того, как будет достигнуто полное разрушение бетонной конструкции.
Еще 20–30 лет назад оцинкованные стальные трубы широко использовались в системах питьевого водоснабжения для частных 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. [13] Экономический ущерб домовладельцам, жильцам квартир и общественной инфраструктуре оценивается 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 , удерживающие их вместе, оставляют в структуре очень мало свободной химической энергии; их можно считать уже подвергнутыми коррозии. Когда коррозия действительно возникает, это почти всегда простое растворение материала или химическая реакция, а не электрохимический процесс. Типичным примером защиты от коррозии керамики является добавление извести в натриево-известковое стекло для снижения его растворимости в воде; хотя оно не так растворимо, 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 изученных физико-химических процессов. Они разительно отличаются от других процессов, обсуждаемых здесь, поэтому термин «коррозия» применяется к ним лишь в широком смысле этого слова. Из-за их большой молекулярной массы при смешивании данной массы полимера с другим веществом можно получить очень небольшую энтропию , что обычно затрудняет их растворение. Хотя растворение является проблемой в некоторых применениях полимеров, против него относительно просто можно спроектировать.
Более распространенной и связанной с этим проблемой является «набухание», когда небольшие молекулы проникают в структуру, снижая прочность и жесткость и вызывая изменение объема. И наоборот, многие полимеры (особенно гибкий винил ) намеренно набухают пластификаторами , которые могут выщелачиваться из структуры, вызывая хрупкость или другие нежелательные изменения.
Однако наиболее распространенной формой деградации является уменьшение длины полимерной цепи. Механизмы разрыва полимерных цепей знакомы биологам из-за их воздействия на ДНК : ионизирующее излучение (чаще всего ультрафиолетовое ), свободные радикалы и окислители , такие как кислород, озон и хлор . Растрескивание озона — хорошо известная проблема, затрагивающая, например, натуральный каучук . Пластиковые добавки могут очень эффективно замедлить этот процесс и могут быть такими же простыми, как пигмент , поглощающий УФ-излучение (например, диоксид титана или сажа ). Пластиковые пакеты для покупок часто не содержат этих добавок, поэтому они легче разлагаются в виде мельчайших частиц мусора .
Стекло характеризуется высокой степенью коррозионной стойкости. Из-за своей высокой водостойкости его часто используют в качестве первичного упаковочного материала в фармацевтической промышленности, поскольку большинство лекарств хранится в водном растворе. [14] Помимо водостойкости, стекло также устойчиво к воздействию некоторых химически агрессивных жидкостей и газов.
Болезнь стекла — коррозия силикатных стекол в водных растворах . Оно регулируется двумя механизмами: диффузионно - контролируемым выщелачиванием (ионным обменом) и гидролитическим растворением сетки стекла. [15] Оба механизма сильно зависят от pH контактирующего раствора: скорость ионного обмена снижается при pH до 10-0,5pH, тогда как скорость гидролитического растворения увеличивается при pH до 10-0,5pH . [16]
Математически скорости коррозии стекол характеризуются нормированными скоростями коррозии элементов NR i (г/см 2 ·сут), которые определяются как отношение общего количества выделившихся частиц в воду M i (г) к поверхности, контактирующей с водой. площадь S (см 2 ), время контакта t (сутки) и массовая доля содержания элемента в стекле f i :
Общая скорость коррозии представляет собой сумму вкладов обоих механизмов (выщелачивание + растворение) NR i =NR x i +NR h . Диффузионное выщелачивание (ионный обмен) характерно для начальной фазы коррозии и заключается в замене ионов щелочных металлов в стекле ионом гидроксония (H 3 O + ) из раствора. Он вызывает ионно-селективное истощение приповерхностных слоев стекол и дает обратную зависимость скорости коррозии от времени воздействия. Нормированная скорость выщелачивания катионов из стекол, контролируемая диффузией (г/см 2 ·сут), определяется выражением:
где t – время, D i – i-й эффективный коэффициент диффузии 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 выделение ионов в водный раствор с независимой от времени скоростью в разбавленных растворах (г/см 2 ·сут):
где r h – стационарная скорость гидролиза (растворения) стекла (см/сут). В закрытых системах потребление протонов водной фазы увеличивает pH и вызывает быстрый переход к гидролизу. [17] Однако дальнейшее насыщение раствора кремнеземом препятствует гидролизу и вызывает возврат стекла к ионообменному, например, диффузионно-контролируемому режиму коррозии.
В типичных природных условиях нормированные скорости коррозии силикатных стекол очень малы и составляют порядка 10–7–10–5 г /(см 2 · сут). Очень высокая стойкость силикатных стекол в воде делает их пригодными для иммобилизации опасных и ядерных отходов.
Существует множество стандартизированных процедур измерения коррозии (также называемой химической стойкостью ) стекол в нейтральных, основных и кислых средах, в моделируемых условиях окружающей среды, в моделируемой жидкости организма, при высокой температуре и давлении [19] и в других условиях.
Стандартная методика ISO 719 [20] описывает испытание экстракции водорастворимых основных соединений в нейтральных условиях: 2 г стекла с размером частиц 300–500 мкм выдерживают в течение 60 мин в 50 мл деионизированной воды марки 2 при 98°С; 25 мл полученного раствора титруют 0,01 моль/л раствором HCl . Объем HCl, необходимый для нейтрализации, классифицируется согласно таблице ниже.
Стандартизированный тест ISO 719 не подходит для стекол с плохими или неэкстрагируемыми щелочными компонентами, но которые все еще подвержены воздействию воды, например, кварцевое стекло, стекло B 2 O 3 или стекло P 2 O 5 .
Обычные очки дифференцируют на следующие классы:
Гидролитический класс 1 (Тип I):
К этому классу, который еще называют нейтральным стеклом, относятся боросиликатные стекла (например, Duran , Pyrex , Fiolax).
Стекло этого класса содержит значительные количества оксидов бора , оксидов алюминия и оксидов щелочноземельных металлов . Благодаря своему составу нейтральное стекло обладает высокой устойчивостью к температурным перепадам и высочайшей гидролитической стойкостью. По отношению к кислотным и нейтральным растворам он проявляет высокую химическую стойкость из-за низкого содержания щелочи по отношению к щелочным растворам.
Гидролитический класс 2 (Тип II):
К этому классу обычно относятся натриево-силикатные стекла с высокой гидролитической стойкостью за счет обработки поверхности. Натриево-силикатное стекло — это силикатное стекло, которое содержит оксиды щелочных и щелочноземельных металлов и в первую очередь оксид натрия и оксид кальция .
Гидролитический класс 3 (Тип III):
Стекло 3-го гидролитического класса обычно содержит натриево-силикатные стекла и имеет среднюю гидролитическую стойкость в два раза хуже, чем у стекол 1-го типа.
Кислотный класс DIN 12116 и щелочной класс DIN 52322 (ISO 695) следует отличать от гидролитического класса DIN 12111 (ISO 719).
Большинство производителей водонагревателей рекомендуют проверять состояние расходного анода каждые один (1)–три (3) года и заменять его, когда он израсходован более чем на 50%.
