Через сколько лет труба в морской воде прогниет насквозь? Выбирай среду и защиту, прокручивай годы и смотри, как ржавчина съедает стенку, а цинк растворяется вместо стали.
Под каплей воды на стали сама собой возникает гальваническая пара. В середине капли, где мало кислорода, железо отдает электроны и уходит в воду ионами Fe²⁺. Электроны бегут по металлу к краю капли, где много кислорода, и там кислород с водой их забирает. Ионы железа встречаются с гидроксид-ионами и превращаются в ржавчину. Нужны три вещи: металл, вода и кислород. Убери любую, и коррозия почти остановится.
Соль делает воду хорошим проводником, кислота сама забирает электроны, поэтому в море, в антигололедной каше и в кислой рудничной воде сталь ржавеет в десятки раз быстрее, чем в сухом воздухе. Защищаются тремя путями: отгораживают сталь от среды краской, подставляют вместо нее более активный металл, цинк, или гонят ток так, чтобы сталь стала катодом.
ⓘ Скорости коррозии средние справочные: реальная скорость зависит от температуры, примесей и того, смывается ли ржавчина. Рисунок показывает самое слабое место стенки.
Инженеру коррозия интересна одним: сколько металла уйдет за срок службы. Числа под формулами берутся из опыта, карточка, которая сейчас решает, подсвечена.
Сколько металла уйдет
Потеря толщины равна скорости коррозии, умноженной на время. Скорость в мм/год берут из справочника для своей среды.
Когда менять деталь
Срок службы равен запасу на коррозию, деленному на скорость. Запас это разница между толщиной новой стенки и минимально допустимой.
Сколько продержится цинк
Цинк растворяется вместо стали. Пока он есть, сталь не ржавеет даже в царапине. Срок защиты равен толщине цинка, деленной на скорость его растворения.
Zn −0,76 В < Fe −0,44 В < Cu +0,34 В
Когда два металла касаются друг друга в воде, получается гальванический элемент, как в батарейке. Анодом становится металл с более отрицательным потенциалом: он отдает электроны и растворяется. Второй металл становится катодом, и на нем только восстанавливается кислород.
Цинк отрицательнее железа, поэтому в паре цинк и сталь растворяется цинк, а сталь защищена, даже если цинк поцарапан. Медь положительнее железа, поэтому в паре сталь и медь анодом становится сталь, и она ржавеет быстрее, чем одна. По той же причине нельзя крепить медные трубки стальными хомутами без прокладки.
Катодная защита делает то же самое током: внешний источник или протектор из цинка, магния или алюминия подает на сталь электроны, и она становится катодом. Так защищают трубопроводы, резервуары, сваи причалов и корпуса судов.
Зимой на дорогах соль и антигололедные реагенты. Сколы краски от камней на раме и в арках начинают ржаветь в первый же сезон. Сколы закрашивают сразу, раму моют от соли, а скрытые полости обрабатывают консервантами.
На руднике трубы хвостопровода и водоотлива несут воду с солями и кислотой. Толщину стенки регулярно меряют ультразвуковым толщиномером и по формуле t = (h₀ − hmin) / v планируют замену участков до того, как труба лопнет.
Подземные газо- и нефтепроводы, резервуары, сваи причалов и корпуса судов защищают током или протекторами из цинка, алюминия и магния. Протекторы постепенно растворяются, и их меняют.
Опоры ЛЭП, ограждения, кабельные лотки, крепеж и металлоконструкции на улице оцинковывают. Горячее цинкование 80…100 мкм держит десятки лет даже с царапинами.
Медные трубки и латунные фитинги на стальной раме, алюминиевые радиаторы с медными трубками, стальной крепеж в алюминии: везде, где разные металлы касаются во влаге, ставят изолирующие шайбы, прокладки и герметик.
Насосы, трубы и емкости для кислой воды, реагентов и пищевых продуктов делают из нержавеющей стали. Хром в ней образует пассивную пленку, которая сама восстанавливается. Для морской воды и хлоридов берут марку 316 с молибденом.
Скорость коррозии считается постоянной для каждой среды; это средние значения по ISO 9223 для атмосферы и справочные данные для воды и грунта. В жизни в первые годы сталь ржавеет быстрее, потом слой ржавчины немного тормозит процесс, а на ветру и под дождем ржавчина смывается и скорость снова растет. Краска считается непроницаемой до конца срока службы, потом сразу перестает защищать. Цинк расходуется равномерно, при царапине чуть быстрее. Катодная защита снижает скорость в 7…30 раз и работает только в воде и грунте. Нержавеющая сталь 304 теряет толщину очень медленно, но на рисунке показаны точечные язвы, главная опасность для нее. Ускорение от контакта с медью задано множителем 2…4. Минимальная толщина взята как половина исходной; в реальных расчетах ее определяют по давлению и нагрузке.