Защита металлоконструкций от атмосферной коррозии

Процесс разрушения металлов под воздействием окружающей воздушной среды принято называть атмосферной коррозией. Атмосферная коррозия – наиболее распространенный вид коррозии, ее проявления настолько многочисленны и разнообразны, что совершенствование методов борьбы с ней не утрачивает своей актуальности.

Механизм и основные факторы атмосферной коррозии металлов

Атмосферной коррозии подвержены все металлоконструкции, эксплуатируемые на открытом воздухе (около 50 % от всего имеющегося металлофонда), а именно: трубопроводы и емкостное оборудование надземного расположения, металлические части строений, опор, мостов, транспортные и погрузочно-разгрузочные средства. 

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 одного миллиметра), 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).

Причины дифференциации могут быть различны:

• 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 включений 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.

В настоящее время известно более тридцати пяти факторов, влияющих 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:

• 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, т.к. в практических условиях возможен взаимный переход одного типа коррозии в другую. 

Загрязнение воздушных сред и, как следствие, поверхности конструкций агрессивными примесями происходит в результате функционирования объектов промышленности, из-за технического несовершенства узлов химического и другого оборудования, негерметичности разъемных соединений, случайных проливов технических жидкостей, разгерметизации коммуникаций, наличия микродефектов в металле и т.п. 

Загрязнения подразделяют на две группы: органического и неорганического происхождения. Первые попадают на поверхность извне, вторые могут попадать извне и возникать в результате взаимодействия газов, загрязняющих атмосферу (оксиды серы и азота, хлор, хлористый водород и т.д.), с поверхностью металла. Примеси, способные растворяться в воде, активируют электрохимическую реакцию вследствие образования разбавленных кислот и увеличения электропроводности пленок влаги, а малорастворимые, рыхлые, несплошные продукты коррозии создают условия для возникновения и работы макрогальванических пар. Помимо агрессивных газов в атмосфере могут содержаться частицы твердых веществ и аэрозоли солей. Их источниками могут служить разрушающиеся горные породы, солончаковые почвы, приморские зоны, имеющие повышенное содержание хлоридно-сульфатных натриевых солей. Также твердые частицы выделяются при сгорании различного топлива, производстве цемента и удобрений. Частицы переносятся воздушными массами на расстояния до одной тысячи километров и, оседая на поверхности металла, становятся центрами конденсации влаги из воздуха. Практически установлено, что скорость атмосферной коррозии в загрязненной различными газами и твердыми примесями атмосфере в десятки раз выше, чем в чистой.

Методы защиты металлов от атмосферной коррозии

Продление сроков эксплуатации различных металлоконструкций до их морального износа – основная цель решения многовековой проблемы коррозии металлов. Согласно определению термин «коррозия» означает процесс. Этот процесс заключается в физико-химической реакции между металлом и окружающей средой, приводящей к изменениям в свойствах материала и окружающей среды. Результатом процесса является «коррозионный эффект», сокращающий сроки службы металлоконструкций, ухудшающий функциональные характеристики включающих их технических систем и приводящий к увеличению затрат, слагаемыми которых являются не только затраты на стоимость ремонта и замену поврежденных коррозией частей оборудования, но и затраты на возмещение убытков от различных неполадок в результате коррозии (остановок производства или аварий, приводящих к разрушениям или несчастным случаям). Часть этих затрат неизбежна, однако их бесспорно можно значительно сократить за счет лучшего использования и постоянного совершенствования на практике методов защиты, которыми мы сегодня располагаем.

Защита от коррозии в целом представляет комплекс мероприятий, направленных на предотвращение и ингибирование коррозионных процессов, сохранение и поддержание работоспособности узлов и агрегатов машин, 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, окружающую среду, а также 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 и окружающую среду.

Из применяемых на практике методов защиты от атмосферной коррозии наиболее подробного рассмотрения, как наиболее распространенный и достаточно эффективный, заслуживает метод нанесения защитных лакокрасочных покрытий (далее ЛКП).

Лакокрасочные покрытия: применение для защиты от атмосферной коррозии и причины выхода из строя

В структуре мировых затрат на противокоррозионную защиту на лакокрасочные покрытия приходится около 39 % средств, что в два 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: 

• 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.

Одним из основных показателей, определяющим эффективность применения того или иного вида покрытия, является его долговечность, а именно: 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 лакокрасочных материалов и покрытий, 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. Под климатическими факторами понимают температуру, влажность воздуха, солнечное излучение, смену 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) лакокрасочным материалам 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 по старому покрытию (по масляным и битумным покрытиям уже невозможно нанести другие лакокрасочные материалы без полного удаления старого покрытия). Частое перекрашивание или подкрашивание в конечном счете приводит к значительному возрастанию толщины покрытия и увеличению в нем механических напряжений, что обратно приводит к растрескиванию и отслаиванию покрытия. Также необходимо отметить, что частое перекрашивание вызывает выброс в атмосферу летучих органических соединений (количество которых прямо пропорционально частоте перекрашиваний), приводящих к загрязнению атмосферы различными примесями.

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 многие другие параметры процесса. Отклонение от параметров технологического процесса приводит к значительному снижению защитной способности покрытий и, как следствие, уменьшению сроков их службы.

Покрытия из лакокрасочных материалов 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 лакокрасочных материалов для защиты металлоконструкций от атмосферной коррозии

Несмотря на имеющие место проблемы, возникающие при использовании лакокрасочных покрытий, следует признать, что данный способ был и остается наиболее доступным и экономически оправданным при защите металлоконструкций от атмосферной коррозии. Рассмотрев основные причины выхода лакокрасочных покрытий из строя, становится очевидным, 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, что позволит снизить стоимость обработки поверхности и качественно производить работы в полевых условиях;
• в развитии методов прогнозирования и оценки долговечности покрытий, позволяющих в сжатые сроки оценить возможность применения того или иного покрытия для данных условий эксплуатации;
• в повышении квалификации персонала, выполняющего работы по производству и контролю качества антикоррозионных покрытий и оснащении его современными приборами и средствами контроля.

ЛИТЕРАТУРА

1. Н.П. Жук. Курс коррозии и защиты металлов. Москва, «Металлургия», 1968 г.
2. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений. Справочник под редакцией А.А. Герасименко. Москва, «Машиностроение», 1987.
3. Лакокрасочные покрытия. Технология и оборудование. Под редакцией А.М. Елисаветского. Москва, «Химия», 1992.