Что такое коррозия? Виды, причины и как подготовка поверхности её останавливает

Коррозия — электрохимическое разрушение металла в результате его реакции с окружающей средой. В стальных конструкциях это основной механизм деградации материала, а её стоимость велика: исследование NACE International IMPACT оценило мировые потери от коррозии в 2,5 трлн долларов США, что эквивалентно примерно 3,4 % мирового ВВП (2013 год), и показало, что существующие методы борьбы с коррозией могут сэкономить 15–35 % этих затрат.

В этом руководстве объясняется, как начинается коррозия, восемь основных видов, поражающих стальные конструкции, факторы окружающей среды, определяющие скорость коррозии, и почему подготовка поверхности — переменная, которая чаще всего решает, остановит ли защитное покрытие коррозию или выйдет из строя раньше срока.

Что такое коррозия? Электрохимический механизм

Коррозия — это не просто «ржавчина». Это самопроизвольный электрохимический процесс, в котором металл возвращается к термодинамически устойчивому оксидному состоянию. Для стали (сплавов железа) движущая сила — естественная склонность железа к окислению:

Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ (анодная реакция: металл растворяется)
O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ (катодная реакция: кислород восстанавливается)

Чтобы возникла коррозия, одновременно должны присутствовать четыре компонента: анод (корродирующий металл), катод (более благородный участок или поверхность), электролит (вода или влага с растворёнными ионами) и металлический путь, соединяющий анод и катод. Устраните любой из этих четырёх — и коррозионная ячейка перестанет работать. Защитные покрытия действуют в основном тем, что не допускают электролит к стали, поэтому адгезия покрытия к основанию так важна. Чем меньше анод по сравнению с катодом, тем быстрее локальное разрушение.

8 основных видов коррозии в стальных конструкциях

1. Равномерная (общая) коррозия

Наиболее заметная и предсказуемая форма: металл корродирует примерно с одинаковой скоростью по всей открытой поверхности, образуя характерный красно-коричневый оксид железа (ржавчину) на углеродистой стали. С ней борются покрытиями, катодной защитой или припуском на коррозию при проектировании. Это наименее непредсказуемая форма, но самая распространённая причина долговременной потери массы в незащищённых или плохо покрытых конструкциях.

2. Питтинговая коррозия

Сильно локализованное разрушение, создающее глубокие язвы, при этом окружающая поверхность остаётся относительно целой. Обычно её вызывают хлорид-ионы, локально разрушающие защитные оксидные плёнки. Питтинг особенно опасен в сосудах под давлением, трубопроводах и морских конструкциях, поскольку язва может проникнуть на значительную часть толщины стенки при малозаметном ухудшении поверхности, и его широко считают одной из самых опасных форм для несущих компонентов и компонентов, работающих под давлением. См. наше руководство по питтинговой коррозии и подготовке поверхности.

3. Щелевая коррозия

Возникает в геометрически ограниченных пространствах, таких как под головками болтов, между нахлёстанными листами и внутри раструбных соединений, где обеднение кислородом и концентрация хлоридов создают агрессивную локальную химию. Замкнутая геометрия не позволяет катодной реакции нейтрализовать кислую анодную среду, что ускоряет разрушение. Она часто встречается на морских сооружениях, в теплообменниках и фланцевых соединениях.

4. Гальваническая коррозия

Когда два разнородных металла электрически соединены при наличии электролита, менее благородный металл (находящийся ниже в гальваническом ряду) корродирует преимущественно. Типичные примеры — алюминиевая арматура на стальных конструкциях, оцинкованный крепёж в контакте с медью и прокатная окалина в контакте с голой сталью в трещинах и местах нарушения сплошности. Прокатная окалина катодна по отношению к стали под ней, поэтому любая растрескавшаяся или повреждённая окалина становится местом зарождения гальванической коррозии. Это одна из причин, по которым большинство спецификаций высокоэффективных покрытий требует удаления прокатной окалины перед нанесением покрытия.

5. Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН)

Одновременное действие растягивающего напряжения и определённой коррозионной среды вызывает растрескивание, которого не произошло бы от каждого из факторов по отдельности. Оно затрагивает высокопрочные стали, нержавеющие стали в хлоридных средах и трубопроводы, работающие под внутренним давлением. Трещины КРН распространяются по границам зёрен или сквозь зёрна и могут привести к внезапному хрупкому разрушению при малозаметной предшествующей коррозии, что делает его ключевой темой управления целостностью нефтегазовых трубопроводов.

6. Эрозионная коррозия

Совместное действие механического износа (от текущей жидкости, взвешенных твёрдых частиц или кавитации) и электрохимической коррозии. Механическое воздействие непрерывно снимает защитный оксидный слой и любое покрытие, обнажая свежий металл. Она распространена на изгибах трубопроводов, рабочих колёсах насосов, трубках теплообменников и любых поверхностях, подверженных высокоскоростному потоку.

7. Нитевидная коррозия

Нитевидная коррозия развивается под плёнкой покрытия, особенно на алюминии и на стали с тонкими органическими покрытиями во влажной среде. Она начинается с дефекта покрытия и распространяется в виде нити с активной (анодной) головкой и хвостом из продуктов коррозии. С эстетической точки зрения она тяжела и разрушает адгезию покрытия, хотя обычно не критична для конструкции, если не носит массового характера.

8. Микробиологически индуцированная коррозия (МИК)

Коррозия, ускоряемая метаболической активностью микроорганизмов, таких как сульфатредуцирующие бактерии (СРБ), кислотообразующие бактерии или бактерии, окисляющие металлы. Она часто встречается на подземных трубопроводах, в резервуарах для воды, морских отложениях и системах охлаждающей воды. МИК может повышать локальную скорость коррозии намного выше ожидаемой только от среды и признана причиной внутренних отказов трубопроводов.

Факторы окружающей среды, определяющие скорость коррозии

ISO 9223 и ISO 12944-2 классифицируют коррозионную агрессивность атмосферы от C1 (очень низкая) до CX (экстремальная) по потере толщины углеродистой стали за первый год: до 1,3 µm в C1, свыше 25–50 µm в C3 (средняя), свыше 80–200 µm в C5 (очень высокая) и свыше 200–700 µm в CX. Приведённые ниже факторы объясняют, почему объекты так сильно различаются.

Почему подготовка поверхности — важнейшая переменная в защите от коррозии

Большинство преждевременных отказов защитных покрытий в промышленной и морской среде вызвано не дефектными составами покрытий, а недостаточной подготовкой поверхности; инспекторы и производители покрытий обычно относят к ней большинство ранних отказов. Основная часть таких случаев приходится на три недостатка:

• Остаточная прокатная окалина. Прокатная окалина, оставшаяся на поверхности, катодна по отношению к голой стали. Покрытие, нанесённое на окалину, сцепляется с окалиной, а не со сталью; когда окалина трескается и отслаивается, покрытие расслаивается вместе с ней. См. наше подробное руководство о том, что такое прокатная окалина и как её удалить.
• Загрязнение растворимыми солями. Хлориды, сульфаты и нитраты, оставшиеся на поверхности после подготовки, образуют под покрытием осмотические пузыри, поглощая влагу. Даже несколько µg/cm² хлорида под высокоэффективным эпоксидом могут вызвать вздутие при погружении или в морской эксплуатации. Подробнее о загрязнении растворимыми солями и способах его проверки.
• Недостаточный профиль шероховатости (анкерный профиль). Покрытия механически сцепляются с профилем поверхности. Слишком низкий профиль не обеспечивает достаточной адгезии для систем с большой толщиной плёнки; слишком высокий может оставить пики плохо покрытыми, и они становятся точками зарождения коррозии. Правильный диапазон задаётся в техническом паспорте (TDS) производителя покрытия; например, IMO PSPC задаёт 30–75 µm для покрытий балластных танков.

Bristle blasting — один из способов одновременно решить вопросы прокатной окалины и профиля там, где открытая абразивоструйная очистка нецелесообразна: задокументированные испытания показывают чистоту, сопоставимую с ISO 8501-1 Sa 2½, и профиль шероховатости 65–85 µm Rz на стандартной стали, хотя результаты зависят от марки стали, степени коррозии, ленты и техники работы.

Защита от коррозии: иерархия предотвращения

В порядке значимости для стальных конструкций с покрытием в промышленной и морской среде:

1. Правильная подготовка поверхности по заданному стандарту (SSPC-SP 10 / ISO 8501-1 Sa 2½ — обычное требование для высокоэффективных систем; SSPC-SP 11, очистка механизированным инструментом до чистого металла, — обычное требование при обслуживании) — основа всех остальных мер
2. Высокоэффективные защитные покрытия — например, цинконаполненные грунты, эпоксиды с большой толщиной плёнки и полисилоксаны, нанесённые на должным образом подготовленную поверхность
3. Катодная защита — протекторные аноды или системы с наложенным током; эффективное дополнение к покрытиям при погружении и в подземной эксплуатации, а не замена подготовки
4. Выбор материала — нержавеющая сталь, коррозионностойкие сплавы или атмосферостойкая сталь там, где это уместно
5. Проектирование с учётом коррозионной стойкости — устранение щелей, обеспечение дренажа и недопущение биметаллических контактов

О том, что требует SSPC-SP 10 и как проверить это на объекте, см. наше техническое руководство по SSPC-SP 10. Сравнение методов подготовки для различных условий объекта см. в статье Bristle Blaster® и пескоструйная очистка.

Часто задаваемые вопросы

В чём разница между коррозией и ржавчиной?

Ржавчина — одна из конкретных форм коррозии: гидратированный оксид железа, образующийся на железе и углеродистой стали в присутствии воды и кислорода. Коррозия — более широкий электрохимический процесс; на других металлах она даёт зелёную патину на меди, белый оксид на алюминии и потускнение на серебре. Всякая ржавчина — это коррозия, но не всякая коррозия — ржавчина. См. ржавчина и коррозия.

Как быстро корродирует сталь?

Это зависит от среды. По ISO 9223 и ISO 12944-2 углеродистая сталь без покрытия теряет более 25–50 µm в первый год в атмосфере средней агрессивности (C3), более 80–200 µm в атмосфере очень высокой агрессивности (C5) и более 200–700 µm в экстремальных условиях (CX). Локальный питтинг может проникать значительно быстрее этих средних скоростей.

Можно ли обратить коррозию вспять?

Нет. Железо, превратившееся в оксид железа, не превращается обратно в здоровый металл в условиях эксплуатации. Коррозией можно только управлять: продукты коррозии удаляют подготовкой поверхности, сильно изъеденные участки ремонтируют или заменяют, а поверхность снова защищают системой покрытия и, где это уместно, катодной защитой.

Какой стандарт подготовки поверхности требуется перед окраской стали?

Это зависит от системы покрытия и условий эксплуатации. Для высокоэффективных покрытий в судостроении, на шельфе и в промышленной эксплуатации типичен SSPC-SP 10 / ISO 8501-1 Sa 2½ (струйная очистка до почти белого металла). SSPC-SP 5 / Sa 3 (белый металл) часто задаётся для самых агрессивных условий, некоторых футеровок для погружения и термического напыления. SSPC-SP 6 / Sa 2 (струйная очистка коммерческого класса) подходит для некоторых атмосферных систем с менее строгими требованиями к долговечности.