Влияние коррозии на циклическую прочность судовых конструкций

Физико-химические основы процесса коррозии

Разрушение металлов и сплавов под действием различных физикохимических факторов получило название коррозии (от латинского слова corrodere, что означает разъедать), а среда, в которой происходит этот процесс, называется коррозионной, или агрессивной. Коррозионные процессы протекают, как правило, на границе раздела фаз при взаимодействии твердого вещества с газом или жидкостью. В результате электрохимического взаимодействия металла и коррозионной среды образуются химические соединения, называемые продуктами коррозии. Способность металлов сопротивляться коррозионному воздействию внешней среды называют коррозионной стойкостью.

Коррозионные процессы различают:

• а) по механизму реакций взаимодействия металла со средой;
• б) по виду коррозионной среды;
• в) по виду (геометрическому характеру) коррозионных разрушений на поверхности или в объеме металла;
• г) по характеру дополнительных воздействий, которым подвергается металл одновременно с действием коррозионной среды.

По механизму реакций различают два типа коррозии металлов: химическую и электрохимическую. Последняя, в отличие от первой, протекает в жидких электролитах (например, в морской воде) с образованием электрического тока.

По виду агрессивной среды, принимающей участие в процессе разрушения металла, различают коррозию газовую, атмосферную, в растворах электролитов, подземную, в жидкостях-неэлектролитах и др.

По характеру изменения поверхности металла или степени изменения его физико-механических свойств коррозионные разрушения подразделяют (рис. 5.1.1) на следующие виды.

1. Если коррозией охвачена вся поверхность металла, то речь идет об общей или сплошной коррозии. Сплошную коррозию делят на равномерную (рис. 5.1.1, а) и неравномерную (рис. 5.1.1, б) в зависимости от того, одинакова глубина коррозионного разрушения на всех поверхности или нет. Сплошная коррозия — наименее опасный ее вид.

Рис. 5.1.1. Виды коррозии:

а — равномерная; б — неравномерная; в — пятнами; г — язвенная; д — точечная; е — подповерхностная; ж — межкристаллитная; з — структурно-избирательная.

• 2. При местной коррозии происходит разрушение отдельных участков поверхности металла. Наиболее характерными видами местной коррозии является коррозия в виде пятен, язв, точечная, подповерхностная, межкристаллитная и транскристаллитная. Коррозия в виде пятен (рис. 5.1.1, в) — разрушение отдельных участков поверхности на сравнительно небольшую глубину. Коррозия в виде язв (рис. 5.1.1, г) мало отличается от коррозии пятнами, но разрушения сосредоточены на ограниченных участках с большой глубиной проникновения в слой металла. Точечная коррозия (рис. 5.1.1, д) связана с разрушением в виде отдельных точечных поражений, перерастающих в сквозные. Подповерхностная коррозия (рис. 5.1.1, е) начинается с поверхности и, как правило, в тех случаях, когда защитные покрытия нарушены на отдельных участках. Металл разрушается под поверхностью, и продукты коррозии оказываются сосредоточены внутри металла, что может сопровождаться вспучиванием и расслоением. Наиболее опасны из местных видов межкристаллитная коррозия, которая, не разрушая зерен металла, продвигается вглубь по их менее стойким границам, и транскристаллитная, рассекающая металл трещиной прямо через зерна (рис. 5.1.1, ж). Эти виды коррозии опасны тем, что, не изменяя внешнего вида конструкции, приводят к быстрой потере металлом прочности и пластичности.
• 3. Специфический характер носит избирательная коррозия (рис. 5.1.1, з), которой подвержены сплавы, содержащие несколько структурных составляющих. При этом виде коррозии поражаются одни компоненты сплава и не поражаются другие, что, тем не менее, ведет к разрушению металла.

Среди видов коррозии, различающихся по характеру дополнительных воздействий, можно выделить следующие.

• 1. Коррозию под действием напряжений — коррозия металла, развивающаяся в зоне действия механических напряжений.
• 2. Коррозию при трении (коррозионная эрозия) — разрушение металла при одновременном воздействии коррозионной среды и сил трения.

3. Кавитационная коррозия — разрушение металла под одновременным коррозионным и ударным воздействием агрессивной среды (коррозия лопастей гребных винтов на судах).

Для судовых корпусных конструкций наиболее характерна электрохимическая (электролитическая) коррозия. Возможность ее появления и развития обусловливается наличием влаги и кислорода, необходимых для работы микрогальванопар, возникающих на поверхности конструкции вследствие ее электрохимической неоднородности. Первая стадия процесса коррозии заключается в переходе железа на анодных участках из металлического состояния в ионное с последующей гидротацией (обволакиванием молекулами воды) образовавшихся ионов:

aside class="viderzhka__img" itemscope itemtype="http://schema.org/ImageObject">

Оставшиеся на аноде электроны ё перетекают на катод и разряжаются там при наличии влаги и кислорода, который в этих условиях ионизируется:

Образовавшиеся ионы гидроксида (ОН^-), встречаясь в водном растворе с ионами железа, образуют ржавчину (вторая стадия). В этом и заключается процесс коррозии.

Большое влияние на характер коррозионного процесса оказывает электродный потенциал Е_н, т. е. разность потенциалов между электродом и электролитом, что связано с образованием у границ раздела фаз слоя из ионов. Чем больше величина отрицательного электродного потенциала, тем ниже коррозионная стойкость обладающего этим потенциалом металла. При контакте двух металлов в коррозионной среде корродирует тот из них, у которого больше отрицательный электродный потенциал. При этом второй металл коррозии не подвергается. На этом основан метод так называемой протекторной защиты.

Кроме электродного потенциала коррозионная стойкость стали зависит от ее особенностей (химического состава, структуры, условий плавки и т. п.) и от характера окружающей среды (защитных покрытий, состава и концентрации веществ, воздействующих на металл, температуры, доступа кислорода, движения раствора или газа относительно металла и др.). Содержащиеся в воде различного рода соединения, кислотные или щелочные свойства которых могут повысить активность воздействия на металл, значительно ускоряют процесс коррозии и делают его более избирательным. Сварочные швы, в отличие от основного металла, более чувствительны к коррозии. Дело здесь и в структурной неоднородности, и в неизбежных остаточных напряжениях.

Коррозионная активность морской воды весьма значительна и обусловливается высокой концентрацией хлоридов, большим содержанием растворенного кислорода, препятствующих образованию защитных пленок, и повышенной электропроводностью. Коррозионные потери сплавов системы «железо—углерод» (стали) в морской воде составляют 1—3 г/м² в сутки в зависимости от температуры, концентрации солей и географического района.

Оценку коррозионной стойкости некоторых металлов и сплавов можно дать согласно значениям электродных потенциалов в морской воде.

Таблица 5.1 .1

Значения электродных потенциалов для некоторых металлов и сплавов в морской воде.

Видно, что из наиболее распространенных металлов наименьшей коррозионной стойкостью в морской воде обладает цинк, а наибольшей — платина. Высокая коррозионная стойкость свойственна титану, который достаточно широко используется как корпусной материал в военном кораблестроении. Железо и обыкновенные стали обладают сравнительно низкой сопротивляемостью коррозии. В то же время их отрицательный электродный потенциал в два раза меньше, чем у цинка. Поэтому установленные в подводной части корпуса судна цинковые болванки при наличии электрического контакта со сталью обеспечивают электрическую (протекторную) защиту подводной части корпуса от коррозии в морской воде.