Защита металлоконструкций от атмосферной коррозии
Механизм и основные факторы атмосферной коррозии металлов
Поверхности конструкций при эксплуатации неизбежно подвергаются увлажнению и загрязнению, что является первопричиной возникновения и развития коррозионных процессов.
По механизму протекания данный вид коррозии в большинстве случаев является электрохимическим процессом, за исключением «сухой» коррозии, протекающей по химическому механизму. Электрохимический процесс подразумевает наличие на корродирующей поверхности катодных и анодных участков, а также электролита, роль которого выполняет пленка влаги (толщиной от нескольких молекулярных слоев до 1 мм), постоянно присутствующая на поверхности металла. Возникновение гальванических элементов «катод – анод» на основных конструкционных материалах – углеродистых сталях – происходит из-за дифференциации их поверхности на участки с различными электродными потенциалами (теория локальных коррозионных элементов).
Дифференциация происходит по следующим причинам:
- неоднородность структуры металла (в углеродистых сталях присутствуют фазы – феррит и цементит, структурные составляющие – перлит, цементит и феррит, имеющие различные электродные потенциалы);
- наличие на поверхности сталей оксидных пленок, загрязнений, неметаллических вклю- чений и т. п.;
- неравномерное распределение окислителя на границе «металл-электролит», например различные влажность и аэрация на различных участках поверхности металла;
- неравномерность распределения температуры;
- контакт разнородных металлов.
Сегодня известно более 35 факторов, оказывающих влияние на скорость атмосферной коррозии, основными из которых являются степень увлажнения металла, состояние поверхности конструкции (пористость, загрязненность), химический состав атмосферы (наличие гигроскопичных и агрессивных продуктов).
По степени увлажнения корродирующей поверхности различают следующие виды коррозии:
- мокрую атмосферную коррозию – при относительной влажности воздуха около 100% и наличии на поверхности металла видимой пленки влаги;
- влажную атмосферную коррозию – при относительной влажности воздуха ниже 100% и наличии на поверхности металла пленки влаги, образующейся в результате капиллярной, адсорбционной или химической конденсации;
- сухую атмосферную коррозию – коррозию при относительной влажности воздуха менее 50% и толщине пленки влаги до 10 нм.
Различие это достаточно условно, так как в реальных условиях возможен взаимный переход одного типа коррозии в другой.
Методы защиты металлов от атмосферной коррозии
Продление сроков эксплуатации различных металлоконструкций до их морального износа – основная цель решения проблемы коррозии металлов. Процесс коррозии заключается в физико-химической реакции между металлом и окружающей средой, приводящей к изменениям в свойствах материала. Результатом процесса является «коррозионный эффект», сокращающий сроки службы металлоконструкций, ухудшающий функциональные характеристики включающих их технических систем и приводящий к увеличению затрат. Их сумму составляют не только затраты на стоимость ремонта и замену поврежденных коррозией частей оборудования, но и затраты на возмещение убытков от различных неполадок в результате коррозии (остановки производства или аварии, приводящие к разрушениям или несчастным случаям). Часть этих затрат неизбежна, однако их, бесспорно, можно значительно сократить за счет лучшего использования и постоянного совершенствования на практике существующих методов защиты.
Защита от коррозии в целом представляет комплекс мероприятий, направленных на предотвращение и ингибирование коррозионных процессов, сохранение и поддержание работоспособности оборудования и сооружений в требуемый период эксплуатации. Методы защиты металлоконструкций от коррозии основаны на целенаправленном воздействии, приводящем к полному или частичному снижению активности факторов, способствующих развитию коррозионных процессов, и условно подразделяются на методы воздействия на металл, воздействия на окружающую среду и комбинированные методы.
Среди первых наибольшее распространение получили методы нанесения покрытий постоянного действия, консервационных покрытий, легирование. Среди вторых – методы полной или частичной герметизации с использованием поглотителей влаги: статическая осушка воздуха, очистка окружающей атмосферы от загрязнений, поддержание определенных температурных режимов. При отсутствии желаемого эффекта от раздельного применения методов воздействия на металл и среду прибегают к комбинированным методам, основанным на комплексном воздействии на металл с помощью защитных покрытий.
Из применяемых на практике методов защиты от атмосферной коррозии наиболее подробного рассмотрения, как наиболее распространенный и достаточно эффективный, заслуживает метод нанесения защитных лакокрасочных покрытий (ЛКП).
Применение ЛКП для антикоррозионной защиты в структуре мировых затрат на антикоррозионную защиту на ЛКП приходится ~39% средств, что в 2 раза превышает затраты на разработку и производство коррозионно-стойких материалов. Все разновидности ЛКП относятся к группе органических покрытий и представляют собой твердую пленку органических веществ с пигментами и наполнителями, получаемую при высыхании лакокрасочного состава, нанесенного на защищаемую поверхность. Защитные свойства ЛКП зависят от сплошности и плотности пленки, изолирующей поверхность металла от окружающей среды, а также характера взаимодействия покрытия с поверхностью металла. Толщина покрытий может изменяться от десятков до сотен микрометров в зависимости от их назначения.
К основным достоинствам ЛКП следует отнести следующие свойства:
- возможность применения для защиты любых конструкций, независимо от размера, непосредственно на монтажных и строительных площадках;
- простоту и возможность механизации технологического процесса нанесения покрытий;
- покрытия на большинстве металлоконструкций, трубопроводах и оборудовании могут ремонтироваться и восстанавливаться непосредственно в процессе эксплуатации;
- малый расход материала на единицу площади и низкая стоимость по сравнению с другими видами защитных покрытий.
Причины выхода из строя ЛКП
Одним из основных показателей, определяющим эффективность применения того или иного вида покрытия, является его долговечность, то есть способность покрытия сохранять защитные свойства до предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Долговечность покрытия определяется многими факторами, в том числе его физико-механическими и химическими свойствами, степенью подготовки поверхности металла перед окрашиванием, правильным выбором покрытия или системы покрытий для конкретных условий эксплуатации.
Несмотря на определенный прогресс, достигнутый в области производства и применения ЛКП, случаи их выхода из строя после непродолжительной эксплуатации в условиях открытой атмосферы встречаются достаточно часто. Анализируя имеющие место случаи разрушения покрытий, можно сделать вывод, что их выход из строя (или утрата в значительной степени защитных свойств) может происходить по следующим причинам:
1. Выбор защитного покрытия или системы покрытий осуществляется без учета исполнения, категории размещения, условий эксплуатации, хранения и транспортирования металлоконструкций в части воздействия климатических факторов (температура, влажность воздуха, солнечное излучение, смена температур, наличие соляного тумана, инея, содержание в воздухе коррозионно-активных веществ);
2. При выборе покрытий для защиты от атмосферной коррозии предпочтение отдается наиболее дешевым и морально устаревшим ЛКП с изначально заложенными низкими сроками службы, исходя из принципа «все равно придется перекрашивать». В качестве примера можно привести применение материалов на масляной и битумной основе, которые уже через 2–3 года, в результате необратимых изменений на молекулярном уровне (старения), могут полностью утратить свои защитные свойства. При этом наиболее характерными дефектами следует считать растрескивание и шелушение покрытия, образование пузырей, коррозионных пятен и точек коррозии.
Практика ремонта покрытий данного вида ограничивается ликвидацией дефектов путем нанесения слоя того же лакокрасочного материала (ЛКМ) по старому покрытию (по масляным и битумным покрытиям уже невозможно нанести другие ЛКМ без полного удаления старого покрытия). Частое перекрашивание или подкрашивание приводит к значительному возрастанию толщины покрытия и увеличению в нем механических напряжений, что вызывает растрескивание и отслаивание покрытия. Следует отметить, что частое перекрашивание вызывает выброс в атмосферу летучих органических соединений, приводящих к загрязнению атмосферы различными примесями, – их количество прямо пропорционально частоте перекрашиваний;
3. Нарушение технологии производства защитного покрытия. Для любого защитного покрытия, наносимого на поверхность, существует определенный регламент его производства, определяющий степень подготовки поверхности, максимальную и минимальную температуру производства работ, время послойной сушки и другие параметры процесса.
Некачественная подготовка поверхности приводит к значительному снижению защитной способности покрытий и, как следствие, уменьшению сроков их службы. ЛКП на основе синтетических смол (эпоксидных, полиэфирных, перхлорвиниловых) обеспечивают надежную и длительную антикоррозионную защиту металла при соблюдении требований по их применению (предварительная пескоструйная обработка поверхности металла с последующим обезжириванием, определенные температурные режимы сушки и т. д.).
Перспективы совершенствования ЛКП для защиты металлоконструкций от коррозии
Несмотря на проблемы, возникающие при использовании ЛКП, следует признать, что данный способ был и остается наиболее доступным и экономически оправданным при защите металлоконструкций от атмосферной коррозии. Очевидно, что дальнейшее развитие данного способа для защиты от атмосферной коррозии должно заключаться в разработке долговечных покрытий, которые могут наноситься на металлические поверхности с низкой степенью очистки. Применение таких составов позволит снизить стоимость обработки поверхности и качественно производить работы в полевых условиях. Кроме того, необходима работа в следующих направлениях:
- развитие методов прогнозирования и оценки долговечности покрытий, позволяющих в сжатые сроки оценить возможность применения того или иного покрытия для данных условий эксплуатации;
- повышение квалификации персонала, выполняющего работы по производству и контролю качества антикоррозионных покрытий.
А. Гулидов, инженер НПК «Вектор», кандидат технических наук, Н. Тимофеева, сотрудник кафедры «Технология металлов» МГУПП