Коррозия металла - виды, борьба, методы защиты и предотвращение ржавчины

Коррозия – это разрушение металлов или сплавов в результате их взаимодействия с окружающей средой. Коррозия приводит к ухудшению качеств материала и его дальнейшему разрушению. 

В случае кабельных трасс из-за коррозии нарушаются эксплуатационные свойства, разрушается поверхность кабеля и связь с подключенной системой.

Что такое коррозия какие виды коррозии различают? Коррозия на металлических материалах часто имеет вид рыжего налёта. Его называют ржавчиной. Ржавчина – это не отдельное химическое соединение, а слой оксидов, гидроксидов и солей железа: продуктов окисления железа и его сплавов, например, стали. Со временем коррозия проникает внутрь изделия, полностью разрушая его.

Старайтесь замечать образовавшуюся ржавчину, поскольку нарушение изоляции проводов угрожает их работоспособности и безопасности. Нет универсального метода защиты оболочки провода от поражения. Чтобы при прокладке кабельной магистрали не происходили аварийные ситуации, обязательно защитите проводку от ржавчины.

От чего может ржаветь металл? Процессы разрушения металла не всегда протекают одинаково. Как именно проявится ржавчина — зависит от особенностей взаимодействия сплава и внешней среды. Коррозию вызывают следующие причины:

• повышенная влажность окружающей среды, из-за которой металл очень быстро окисляется, а на поверхности его образуется ржавчина
• выпадение осадков на незащищённую поверхность стали влечёт за собой появление очагов коррозии
• блуждающие токи на поверхности изделия. Применительно к кабелям это означает, что часть тока уходит в почву из-за нарушения изоляции; при этом электрический ток разрушает металлическую оболочку кабеля и уносит в почву мелкие частицы
• атмосфера с повышенным содержанием химически активных элементов также увеличивает скорость распространения коррозии
• контакт с почвой, наличие биоорганизмов. Электрохимическая реакция, возникающая при взаимодействии с почвой, грунтовыми водами и природными материалами, разрушает металлическую поверхность
• радиоактивное излучение приводит к разрушению структуры стали и развитию коррозийных процессов.

Обычно нельзя выделить одну причину коррозии. Разрушение и деградация стали вызваны влиянием нескольких факторов в совокупности. Например, коррозионная активность органических субстанций связана со степенью концентрации минеральных солей, уровнем влажности и газов. 

Вероятность появления блуждающих токов в кабельных линиях увеличивается в местах, где грунт насыщен соляными вкраплениями, перегноем или скоплениями шлака и золы. Также коррозия ускоряется при росте температуры окружающей среды.

Главная классификация коррозии производится по механизму ее протекания. Различают два основных вида короозиции – химическую коррозию и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия возникает, когда железо или его сплав контактирует со средой (газом или жидкостью), которая не проводит электрический ток. В результате образуются новые связи между окислителями и атомами металла. Образовавшаяся структура также не проводит электричество, в отличие от первоначального состава изделия.

Химические коррозионные процессы газового типа возникают, если на поверхности металла отсутствует влага, но при этом он вступает в контакт с газом или паром. Газы, вызывающие химическую коррозию – это кислород, а также диоксид серы и сероводород. Такая коррозия часто полностью разрушает изделие, но отдельные металлы и их сплавы защищаются от повреждений оксидной плёнкой, образующейся на поверхности. 

Примеры – патинирование поверхности медных изделий и сплавов, содержащих медь (бронза, латунь), и воронение, образование на поверхности низколегированных сплавов защитной оксидной плёнки.

Химическая коррозия жидкостного типа возникает при соприкосновении металлов с неэлектролитными жидкостями – например, с нефтью и нефтепродуктами. Но если при контакте присутствует даже маленькое количество влаги, процесс быстро переходит в электрохимическую коррозию.

Электрохимическая коррозия – разрушение металла под воздействием возникающей в коррозионной среде гальванических элементов. Электрохимическая коррозия происходит в электролитной среде (конденсат, дождевая вода), и в процессе всегда участвуют электроды – либо разные элементы структуры материала, либо два различных соприкасающихся материала с разными окислительно-восстановительными материалами. 

При электрохимической коррозии идут два взаимосвязанных процесса: анодный - ионы из металла переходят в электролитический раствор, и катодный - образованные на анодной стадии электроны образуют связь с частицами окислителя.

Если в воде растворены ионы солей или кислот, электропроводность её повышается, и скорость процесса увеличивается. Примеры электрохимической коррозии – ржавчина на трубопроводах, в том числе подземных, на обшивке морских судов и на железных конструкциях, находящихся под открытым небом.

Как защитить металл от коррозии? Существует много антикоррозийных методов. Выбор подходящего способа защиты от коррозии определяют условия, в которых работает деталь или металлическая конструкция. 

Наиболее эффективные методы защиты от коррозии:

1. Обработка внешней среды - устранение из окружающей среды факторов коррозионных процессов -  удаление влаги, использование ионообменников для удаления растворенных в воде солей, нейтрализация кислых веществ.
2. Легирование - создание сплавов металла, стойких к коррозии. Для этого в состав стали при выплавке добавляют легирующие элементы, которые предотвращают возникновение очагов ржавчины. Например, при легировании железа хромом, никелем и молибденом получается нержавеющая сталь.
3. Применение ингибиторов. Коррозионные процессы замедляются, если в среду, которая окружает металлоконструкцию, добавить ингибиторы коррозии. Они способны снизить скорость или вообще подавить образование ржавчины.
4. Протекторная защита – электрохимическая защита от коррозии, при которой происходит разрушение специального гальванического анода, а не защищаемой детали или конструкции.Такие аноды делаются из металлов с меньшим электрическим потенциалом, чем у стали – цинка, алюминия и магния.
5. Сдвиг электрохимического потенциала металлической детали с помощью внешнего источника постоянного тока (станции катодной защиты).
6. Использование металлических защитных покрытий - хромирование, никелирование, цинкование, лужение. Металл покрывают более благородным металлом, чем защищаемый (изолирующим покрытием), или менее благородным металлом (экранирующим покрытием).
7. Использование неорганических покрытий, например, стекловидных эмалей, хроматных покрытий.
8. Использование органических покрытий, например, полимерных материалов и красок.

Коррозия по типу бывает равномерная, местная, межкристаллитная. Характеры разрушений, вызываемых ржавчиной, следующие:

1. Сплошная коррозия. Весь металл поражается ржавчиной, равномерно или неравномерно.
2. Местная коррозия. Ржавеют только отдельные части поверхности металла.
3. Питтинговая, или точечная коррозия. Ржавчина появляется только на отдельных участках, но проникает глубоко в структуру металла. Иногда повреждения становятся сквозными.
4. Межкристаллическая коррозия. Разрушения происходят по границам межкристаллических зерён в структуре металла. Это происходит из-за сочетания внешнего воздействия и переменных механических нагрузок и характерно для кабелей, проложенных в местах с интенсивным дорожным движением.

Только металлы подвергаются коррозии? Иногда термин «коррозия» применяют по отношению к неметаллическим материалам, например, коррозия бетона и железобетона, коррозия пластмасс и резины. Имеется в виду их разрушение и потеря эксплуатационных свойств в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. 

Механизмы и физика процессов для неметаллов и металлов будут разными. Это зависит от типа электропроводности на границе раздела материал – среда, от типа среды, в которой находится изделие. При низкой проводимости природа коррозии обычно химическая или физико-химическая, в случае более высокой – электрохимическая.

Примеры коррозионных неметаллов – бетон и железобетон, пластмассы, древесина, керамика.

Оксидная плёнка, образующаяся на поверхности металла – не всегда нежелательная. Иногда на поверхности образуется достаточно плотная и прочно связанная оксидная пленка, защищающая металл от дальнейшей деградации (окисления). Такой процесс называется пассивацией.

Пассивация бывает естественная - патинирование и искусственная - когда защитная плёнка создаётся с помощью химических растворов или процессов. Пример искусственной пассивации – плёнка оксидов цинка на поверхности оцинкованных деталей, увеличивающая стойкость её к коррозии.

Оксидная газонепроницаемая плёнка образуется на поверхности алюминия, цинка, титана, хрома, никеля. У железа и сплавов, содержащих железо, оксидная пленка рыхлая и воздухопроницаемая, поэтому такой метод защиты для них не подходит.

Учитывая причины образования ржавчины, прокладку кабеля проводят вне участков с особо агрессивной средой. Если обойти опасный участок невозможно, оценивают виды и источники воздействия. Воздействие на стальную изоляцию измеряют тестами, оценивая удельное сопротивление грунта, плотность поляризующего тока и потерю массы образца. С ростом плотности тока и потерь массы при уменьшении удельного сопротивления почвы растет риск коррозии изоляционного материала.

Проблему соприкосновения свинца и кабеля с алюминиевой изоляцией решают покрытием оболочкой из ПВХ 0,8-2,5 мм толщиной или лентой ПВХ, обработанной сверху битумной массой. Уровень межкристаллитной коррозии снижают с помощью заземления металлических оболочек и укрепления точек входа и выхода. 

Распространены и другие способы защиты: электрический дренаж, катодная защита, разделение на секции и протекторы из анодных электродов. Используйте разные виды защиты, так будет надежнее.

Создайте при прокладке кабеля условия, в которых взаимодействие со средой минимально, и контролируйте состояние кабельной сети после ввода в эксплуатацию. Если следить за состоянием сети, можно вовремя остановить коррозию металла кабелей и предотвратить серьезные неисправности и аварии в будущем. 

Для повышения надёжности рекомендуется использовать кабельные лотки, обеспечивающие дополнительную защиту кабельных линий от механических повреждений и негативного воздействия окружающей среды.