Коррозия металла — самопроизвольное разрушение металла при взаимодействии со средой; для стали — главным образом электрохимическое окисление во влаге.
Суть
Железо в руде существует в виде оксидов — это его термодинамически устойчивое состояние. Металлургия затрачивает энергию, чтобы восстановить его до металла, а коррозия возвращает систему назад: сталь окисляется, отдавая электроны среде. Процесс идёт самопроизвольно и остановить его полностью нельзя — можно только замедлить.
По механизму различают два вида. Химическая коррозия — прямая реакция с сухими газами или неэлектролитами (окалина при нагреве, сернистые газы в печах). Электрохимическая коррозия — растворение металла в электролите с пространственным разделением анодного и катодного процессов; именно так ржавеет сталь во влажной атмосфере, воде и грунте. Терминология закреплена в ГОСТ 5272-68.
Анод: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ · Катод: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ · Итог: Fe(OH)₂ → Fe₂O₃·nH₂O (ржавчина)
Ржавчина рыхлая и не сплошная, поэтому в отличие от плотной плёнки Cr₂O₃ на нержавеющей стали или Al₂O₃ на алюминии она не защищает металл под собой: коррозия углеродистой стали идёт вглубь, пока есть влага и кислород.
От чего зависит скорость
- Влажность и электролит. Ниже 60–70 % относительной влажности стальная поверхность практически не корродирует; плёнка влаги с растворёнными солями и SO₂ ускоряет процесс на порядок. Хлориды разрушают пассивные плёнки, в том числе на нержавеющих сталях.
- Кислород и температура. Кислород — главный окислитель катодной реакции; в закрытых системах отопления его мало, поэтому чёрная труба служит там дольше, чем в открытом водоснабжении. Нагрев ускоряет реакции, но снижает растворимость O₂.
- Контакт разнородных металлов. Более активный металл становится анодом и растворяется. Цинк (φ° = −0,76 В) защищает сталь (φ° = −0,44 В), а медь (φ° = +0,34 В) в паре со сталью ускоряет её коррозию.
- Состав и структура стали. Углеродистые и низколегированные стали корродируют примерно одинаково; заметно стойкость растёт лишь при ≥ 12 % Cr, а также при добавке Cu и P (атмосферостойкие стали). Окалина, сварные швы и наклёп создают локальные гальванические пары.
Скорость коррозии оценивают по потере массы или глубине проникновения (мм/год) по ГОСТ 9.908-85, а стойкость материала — по десятибалльной шкале ГОСТ 13819-68. Реальные значения для стали в атмосфере отличаются на два порядка в зависимости от климата и загрязнения воздуха.
Ключевые числа
| Стандартный электродный потенциал φ°, В (отн. СВЭ) | Zn²⁺/Zn −0,76; Fe²⁺/Fe −0,44; Cu²⁺/Cu +0,34 |
|---|---|
| Шкала стойкости ГОСТ 13819-68: «стойкие», 4–5 баллов | 0,01–0,1 мм/год |
| Шкала стойкости ГОСТ 13819-68: «нестойкие», 10 баллов | более 10 мм/год |
| Углеродистая сталь в атмосфере, категории ISO 9223 (1-й год) | C2 (низкая, сельская): 1,3–25 мкм/год; C3 (средняя, городская): 25–50; C4 (высокая, промышленная): 50–80; C5 (очень высокая, морская/промышленная): 80–200 |
| Порог «нержавеемости» по хрому | ≥ 12 % Cr (по определению EN 10088-1 нержавеющей считается сталь от 10,5 % Cr) |
| Толщина цинкового покрытия ВГП труб, ГОСТ 3262-75 | не менее 30 мкм |
| Терминология и методы | ГОСТ 5272-68 (термины); ГОСТ 9.908-85 (показатели коррозии) |
Где встречается в трубах
Для трубы коррозия означает утонение стенки и сквозные свищи, поэтому в расчёт закладывают прибавку на коррозию — произведение ожидаемой скорости на срок службы, — а конструктивно выбирают между чёрной сталью с покрытием, оцинковкой и нержавеющей сталью.
- Классификация по среде и характеру разрушения — в статье виды коррозии; механизм подробнее — электрохимическая коррозия.
- Оцинкованные водогазопроводные трубы по ГОСТ 3262-75 защищены цинком и барьерно, и катодно — см. цинкование.
- Для агрессивных сред и пищевых производств применяют нержавеющие трубы — нержавеющая сталь держит пассивную плёнку за счёт хрома.
- Практические способы защиты — покрытия, изоляция, катодная защита — собраны в статье защита труб от коррозии.
- Требования к покрытиям и приёмке — в библиотеке стандартов.
Связанные термины
- Электрохимическая коррозияРазрушение металла как анода гальванической пары в электролите; объясняет ржавление во влажном грунте и опасность контакта разных металлов.
- Виды коррозии: сплошная, питтинг, МКК, КРНРавномерная коррозия предсказуема, а локальные виды — питтинг, межкристаллитная и коррозионное растрескивание — разрушают металл незаметно.
- ЦинкованиеПокрытие стали цинком (горячее, гальваническое, термодиффузионное), защищающее и барьером, и «жертвенно» — цинк корродирует вместо стали.
- Нержавеющая стальСталь с содержанием хрома не менее 10,5 %, образующая на поверхности самовосстанавливающуюся пассивную плёнку оксида хрома.