Атмосферная коррозия

Атмосферная коррозия — это процесс разрушения металлов и сплавов под воздействием окружающей атмосферы, протекающий на границе раздела фаз «металл — тонкий слой влаги (электролит) — газ». Является наиболее распространённым типом коррозии, так как подавляющее большинство металлических конструкций и изделий эксплуатируется в атмосферных условиях. По различным оценкам, на долю атмосферной коррозии приходится от 50 до 80 % всех экономических потерь от коррозии металлов.

Механизм и условия протекания

Атмосферная коррозия представляет собой электрохимический процесс, который возможен только при наличии на поверхности металла тонкой плёнки электролита. Эта плёнка образуется за счёт конденсации влаги из воздуха (роса, туман, дождь) или адсорбции водяного пара. В зависимости от толщины плёнки различают три основных типа атмосферной коррозии:

• Мокрая атмосферная коррозия — протекает при видимой плёнке влаги толщиной от 1 мкм до 1 мм (например, во время дождя или после него). Скорость процесса максимальна, так как лёгок доступ кислорода к поверхности металла через тонкий слой электролита.
• Влажная атмосферная коррозия — возникает при относительной влажности воздуха выше критического значения (обычно 60–70 %), когда на поверхности металла образуется невидимая адсорбционная плёнка влаги толщиной от 10 до 1000 нм. Этот тип коррозии наиболее распространён и опасен в условиях умеренного и влажного климата.
• Сухая атмосферная коррозия — протекает при очень низкой влажности воздуха (менее 30–40 %) и повышенных температурах. Представляет собой химическое взаимодействие металла с кислородом воздуха с образованием тончайших оксидных плёнок (толщиной 1–10 нм). Скорость процесса крайне мала, и для большинства конструкционных металлов он не представляет серьёзной опасности.

Ключевым фактором, определяющим скорость коррозии, является время увлажнения поверхности — период, в течение которого на металле существует электролитная плёнка. Этот параметр зависит от климатических условий (температура, влажность, количество осадков) и конструктивных особенностей изделия (наличие зазоров, щелей, экранированных участков).

Классификация по условиям эксплуатации

Скорость и характер атмосферной коррозии существенно различаются в зависимости от типа атмосферы. Принято выделять несколько основных категорий коррозионной агрессивности окружающей среды:

• Сельская атмосфера — наименее агрессивная. Характеризуется низким содержанием загрязнителей (пыли, газов, солей). Коррозия протекает медленно, в основном за счёт влажности и кислорода.
• Городская атмосфера — содержит повышенные концентрации оксидов серы (SO₂), оксидов азота (NOₓ) и твёрдых частиц от промышленных предприятий и автотранспорта. SO₂, растворяясь в плёнке влаги, образует серную кислоту, что резко ускоряет коррозию углеродистых сталей и цинка.
• Промышленная атмосфера — наиболее агрессивная среди городских типов. Отличается высоким содержанием кислотных газов, хлора, аммиака и других химически активных веществ. Скорость коррозии может в 10–20 раз превышать скорость коррозии в сельской местности.
• Морская атмосфера — характеризуется высоким содержанием хлоридов (NaCl, MgCl₂), которые попадают в воздух в виде аэрозолей. Хлорид-ионы разрушают пассивные плёнки на металлах (особенно на алюминии и нержавеющих сталях), вызывая питтинговую (точечную) коррозию. Агрессивность морской атмосферы наиболее высока в прибрежной зоне (до 1–2 км от берега).
• Тропическая и субтропическая атмосфера — сочетает высокую температуру, влажность и интенсивное солнечное излучение. В таких условиях коррозия протекает очень быстро, особенно при наличии биологических загрязнений (плесень, грибки).

Факторы, влияющие на скорость коррозии

На интенсивность атмосферной коррозии влияет комплекс взаимосвязанных факторов:

• Относительная влажность воздуха — главный фактор. При влажности ниже 60 % коррозия большинства металлов практически не наблюдается. Выше этого порога скорость резко возрастает, достигая максимума при 90–100 %.
• Температура — повышение температуры ускоряет все химические и электрохимические реакции, но одновременно снижает относительную влажность воздуха. Поэтому в жарком сухом климате коррозия может быть меньше, чем в умеренном влажном.
• Загрязнители воздуха — сернистый газ (SO₂) является одним из самых агрессивных компонентов. Он катализирует коррозию железа, цинка, меди и их сплавов. Хлориды (NaCl, KCl) вызывают локальное разрушение пассивных плёнок.
• Количество и состав осадков — дождь может как смывать загрязнители с поверхности металла (временное снижение скорости коррозии), так и увлажнять её, способствуя коррозионному процессу. Кислотные дожди (pH < 5,6) значительно ускоряют коррозию.
• Твёрдые частицы — пыль, сажа, зола могут оседать на поверхности металла, создавая зоны с повышенной влажностью (капиллярная конденсация) и содержащие агрессивные компоненты. Например, частицы угля, содержащие серу, являются центрами коррозии.
• Конструктивные особенности — наличие щелей, зазоров, пазов, мест для скопления влаги и грязи резко усиливает коррозию. Недоступные для осмотра и очистки участки подвержены наиболее интенсивному разрушению.

Методы защиты

Для защиты металлов от атмосферной коррозии применяется комплекс мероприятий, которые можно разделить на несколько групп:

Легирование металлов

Введение в состав сплавов элементов, повышающих их коррозионную стойкость в атмосферных условиях. Наиболее известные примеры:

• Нержавеющие стали (содержат хром, никель, молибден) — образуют на поверхности плотную пассивную плёнку Cr₂O₃, устойчивую к действию влаги и многих агрессивных сред.
• Атмосферостойкие стали (кортеновские стали) — содержат небольшие добавки меди, хрома, никеля, фосфора. При коррозии на их поверхности образуется плотный, прочно сцепленный с металлом слой продуктов коррозии (патина), который замедляет дальнейшее разрушение.

Защитные покрытия

Наиболее распространённый метод защиты.

• Лакокрасочные покрытия — краски, эмали, лаки. Создают барьер, изолирующий металл от контакта с атмосферой. Эффективность зависит от подготовки поверхности, типа грунтовки и количества слоёв.
• Металлические покрытия — нанесение слоя более коррозионно-стойкого металла (цинк, алюминий, никель, хром). Наиболее распространено цинкование (горячее, гальваническое, термодиффузионное, газотермическое). Цинк защищает сталь как барьерно, так и электрохимически (как анодное покрытие).
• Конверсионные покрытия — фосфатирование, оксидирование, хроматирование. Создают на поверхности металла тонкую плёнку нерастворимых солей или оксидов, улучшающую адгезию лакокрасочных покрытий и обладающую собственной защитной способностью.

Конструкционные и эксплуатационные меры

• Рациональное проектирование — устранение щелей, пазов, острых кромок, обеспечение свободного стока воды и вентиляции.
• Герметизация — применение уплотнителей, герметиков для защиты стыков и соединений.
• Удаление загрязнителей — регулярная очистка поверхностей от пыли, грязи, солей.
• Контроль влажности — в закрытых помещениях (склады, ангары) поддержание относительной влажности ниже 50–60 % с помощью осушения воздуха или кондиционирования.
• Применение ингибиторов — летучие ингибиторы коррозии (например, дициклогексиламин нитрит) вводятся в упаковку или в атмосферу замкнутого пространства, адсорбируются на поверхности металла и замедляют коррозионный процесс.

Примеры коррозионных разрушений

Атмосферная коррозия является причиной многочисленных аварий и экономических потерь. Характерные примеры:

• Разрушение мостовых конструкций, особенно в промышленных районах и приморских зонах. Например, обрушение моста «Серебряный мост» (США, 1967) было частично вызвано коррозионным растрескиванием.
• Коррозия кузовов автомобилей, особенно в регионах, где зимой используются противогололёдные реагенты (хлориды).
• Разрушение нефте- и газопроводов, резервуаров, опор линий электропередач.
• Коррозия исторических памятников и архитектурных сооружений из металла (статуи, ограды, купола).

Источники

1. Семёнова И. В., Флорианович Г. М., Хорошилов А. В. Коррозия и защита от коррозии. — М.: Физматлит, 2002.
2. Улиг Г. Г., Реви Р. У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику. — Л.: Химия, 1989.
3. Жук Н. П. Курс теории коррозии и защиты металлов. — М.: Металлургия, 1976.
4. ISO 9223:2012. Коррозия металлов и сплавов. Коррозионная агрессивность атмосфер. Классификация, определение и оценка.
5. Розенфельд И. Л. Ингибиторы коррозии. — М.: Химия, 1977.