Корозійна безпека промислових конструкцій з нержавіючих сталей

Більше 100 років тому завдяки відкриттям американських та англійських інженерів-металургів у життя людства увійшли чудові завжди блискучі сталі, які не покриваються іржею на повітрі, можуть безпечно контактувати з водою, і навіть агресивні хімічні речовини, зокрема кислоти, не порушують їх приємного блиску. та цілісності виготовлених із них виробів. В українській практиці за такими сталями закріпилася назва – нержавіючі (нержавіючі). На зорі свого застосування нержавіючі сталі в основному використовувалися для виготовлення кухонного приладдя, проте потім почали активно застосовуватися і в промисловості. В даний час вже накопичено великий досвід їх використання, що дозволяє не тільки захоплюватися їх унікальними властивостями, але й помітити деякі обмеження в їх застосуванні, про які ми зараз і поговоримо.

Незважаючи на описані вище корозійно-стійкі властивості, нержавіюча сталь схильна до швидкого корозійного руйнування в певних умовах. Розглянемо ці умови.

Поверхнева корозія внаслідок забруднення залізом

Якщо виріб з нержавіючої сталі в процесі виготовлення, транспортування або експлуатації входить у прямий контакт із вуглецевою сталлю, то згодом на поверхні нержавіючої сталі утворюється тонкий шар бурої іржі. Найкращий засіб запобігання корозії даного типу - це виключити контакти нержавіючої та вуглецевої сталей: не приварювати вуглецеву сталь до нержавіючої сталі; завжди використовувати для очищення щітки з нержавіючої сталі і т.д.

Даний вид корозії не веде до порушення цілісності виробу з нержавіючої сталі, лише псує його зовнішній вигляд.

Пітингова (точкова) корозія

Пітингова корозія -це вигляд украй вузько локалізованої корозії, що призводить до утворення невеликих отворів у металі. Даний вид корозії неможливий в атмосфері і має місце лише при контакті виробу з нержавіючої сталі з рідким або ґрунтовим електролітом. Зародження піттингу відбувається у місцях дефектів захисної пасивної плівки (подряпини, розриви) чи її слабких місцях (якщо має місце неоднорідність металу, наприклад на зварних швах). Процес зародження піттингу вірогідніший при недостатньому доступі кисню до поверхні виробу, що не дає змоги відновлювати пасивну захисну плівку на поверхні металу при її руйнуванні.

Стійкість нержавіючих сталей до піттингової корозії оцінюється числовим показником - PREN, який визначає рівень потенційної корозійної стійкості. Що значення показника PREN, то вище стійкість до точкової корозії. Розкид значень даного показника для існуючих марок сталевих нержавіючих становить від 15 до 45 одиниць.

Даний вид корозії може призвести до утворення наскрізних дефектів та порушення цілісності виробу.

Щілинна корозія відбувається у вузьких проміжках між металами (наприклад, між болтом і гайкою) або між металом і неметалевим матеріалом (наприклад, прокладкою) у разі потрапляння в них електроліту. За механізмом і результатом аналогічна піттингової корозії, проте швидкість зростання дефекту може бути вищою за рахунок зменшення доступу кисню до щілин. Може мати місце в тріщинах металу, що зародилися в результаті корозії під напругою (див. нижче).

Даний вид корозії може призвести до утворення наскрізних дефектів та порушення цілісності виробу.

Внаслідок міжкристалітної корозії вибірково руйнуються межі зерен у структурі сталі. Це відбуваєтьсячерез відмінності в концентрації елементів нержавіючої сталі в самому зерні і на його межі, наприклад, збіднення меж зерен хромом або збагаченням їх вуглецем з подальшим утворенням домішок (карбідів хрому).

Міжкристалітна корозія - надзвичайно небезпечний вид руйнування, т.к. візуально її не завжди можна визначити. Метал втрачає свою пластичність і міцність, критично знижується ударна в'язкість, що може призвести до крихкого руйнування конструкції під дією зовнішніх напруг.

Корозія під напругою

Корозійного розтріскування піддаються металеві вироби та конструкції, в яких після механічної або термічної обробки присутні залишкові напруги. Зустрічається корозійне розтріскування при зварюванні, збиранні чи монтажі металевих деталей тощо. Великий вплив на інтенсивність корозійного розтріскування має корозійне середовище (її характер, склад і концентрація агресивних агентів). В результаті корозійного руйнування у металі утворюються розгалужені колонії транскристалітних та міжкристалітних тріщин.

Хромонікелеві аустенітні стали більш схильні до корозійного розтріскування. Введення стабілізаторів, легуючих компонентів, збільшення вмісту нікелю не суттєво впливає на схильність аустенітних сталей до корозійного впливу.

Корозійне розтріскування - дуже небезпечний вид руйнування виробу, оскільки може призводити до миттєвого утворення наскрізних дефектів великої площі, і, отже, швидкого розливу всього вмісту ємності.

Блукаючими називаються електричні струми в землі, що виникають за рахунок витоків з рейок електрифікованих залізниць, що працюють на постійному струмі та використовують рейки як зворотний дроти. Джереламиблукаючих струмів можуть бути також різні установки постійного струму (телеграф, електрозварювальні апарати, системи катодного захисту тощо), що використовують як зворотний дроти землю. Відомо, що електрична провідність металів у багато разів більша за провідність грунтів і ґрунтів. Тому будь-яка підземна металева споруда, в даному випадку, підземні ємності, перебуваючи в зоні розповсюдження блукаючих струмів, привертає на себе ці струми, передає їх як провідник нижчого омічного опору і повертає через землю до джерела постійного струму.

При цьому та частина металевої споруди, з якої струм виходить у землю, є анодом, а та частина споруди, де постійний струм входить до неї, є катодом. В анодних зонах за умови контакту споруди з вологим ґрунтом блукаючі струми викликають електроліз і завдають споруді надзвичайно великих корозійних руйнувань. Специфічні захисні властивості нержавіючої сталі не перешкоджають цьому виду корозії.

То як тоді забезпечити належний корозійний стан виробів з нержавіючої сталі? Звернемося до нормативних документів України з корозійної безпеки. Які вимоги до конструкцій із нержавіючої сталі в них присутні?

1 ГОСТ 9.602-2005 Єдина система захисту від корозії та старіння. Споруди підземні. Загальні вимоги до захисту від корозії

Встановлює загальні вимоги до захисту від корозії зовнішньої поверхні підземних металевих споруд з вуглецевих і низьколегованих сталей. На вироби та конструкції, у тому числі підземні, знержавіючоїсталіне поширюється.

Містить загальні рекомендації щодо необхідності первинної (вибір конструктивних рішень, що знижують агресивневплив, та матеріалів, стійких у середовищі експлуатації), вторинного та спеціального протикорозійного захисту. З точки зору застосування виробів та конструкцій з нержавіючої чи корозійностійкої сталі містить кілька розрізнених вимог, які потрібно шукати по всьому документу. Наприклад, нержавіюча сталь пропонується як конструкційний матеріал за наявності газової корозії.

Таким чином,докладні правилазастосування виробів (конструкцій) з нержавіючої сталі в різних зовнішніх умовах у сучасній нормативній документаціївідсутні.

Якісне застосування нержавіючих сталей переважно залежить від кваліфікації конструктора, проектувальника або будівельника самого об'єкта. У таких умовах хотілося б звернути увагу колег на кілька досить простих правил, які можуть допомогти прийняти правильне рішення у найпростіших випадках.

При використанні нержавіючої сталі в атмосферних умовах обов'язково ретельно вибирайте марку (склад) самої сталі. Корозійна агресивність атмосфери залежить від багатьох факторів (докладніше див.тут ). Особливо може бути небезпечним морське повітря і повітря, забруднене промисловими викидами. У таких умовах хороша, але не спеціальна, нержавіюча сталь може в найкращому разі покритися неестетичними іржавими плямами.
Так само обережність потрібно дотримуватись при зберіганні в ємностях з нержавіючих сталей корозійно-небезпечних рідких продуктів. Не кожна нержавіюча сталь здатна протистояти кислотам або морській воді. В даному випадку додатково особливу увагу слід приділити якості виготовлення зварних швів на виробі. Саме в неякісних зварних швах порушується те магічне співвідношення заліза та легуючих елементів, що дозволяє нержавіючій сталі протистояти.корозії. І саме зварні шви першими дають текти, причому в деяких випадках рахунок до часу виникнення перших наскрізних ушкоджень йде на дні.
Підземна (підводна) експлуатація виробів та споруд із нержавіючої сталі без додаткових заходів протикорозійного захисту вкрай небажана і може бути допущена лише у виняткових випадках. Наприклад, спроба будівництва підземних трубопроводів з нержавіючих сталей у СРСР обернулася їх швидким руйнуванням внаслідок піттингової та міжкристалітної корозії. У разі ємностей або інших виробів (конструкцій) з невеликою площею поверхні та довжиною (у порівнянні з трубопроводами) необхідно ретельно контролювати процес встановлення та засипання підземної споруди з нержавіючої сталі. Далі, вкрай бажано обладнати підземну конструкцію стаціонарним контрольно-вимірювальним пунктом для вимірювання щомісячного електрохімічного потенціалу. В окремих випадках вироби з нержавіючої сталі можуть забезпечуватися системою електрохімічного (анодного) захисту та протикорозійними неметалевими покриттями.
Підвищити корозійну стійкість будь-якої нержавіючої сталі, особливо на початковому етапі експлуатації, можна за допомогою примусової пасивації (утворення захисної плівки оксиду хрому) у промислових умовах з використанням хімічних окислювачів, наприклад, розчинів біхромату натрію. Щоправда, пасивацію не можна робити бездумно. Потрібно ретельно проаналізувати майбутні умови експлуатації (а також транспортування та зберігання) виробу - можливо середовище не таке вже агресивне, та й доступ природного окислювача достатній. Також дуже важливо провести саме рівномірну пасивацію, інакше місця з недостатньою товщиною/відсутністю оксиду хрому можуть потім піддатисяточкової корозії.

Звичайно, це найпростіші закономірності. Для вирішення складних завдань необхідні комплексні лабораторні та польові корозійні дослідження. Цим застосування нержавіючої сталі у різних умовах нічим не відрізняється від інших процесів корозійного руйнування та відповідних заходів протикорозійного захисту. Корозія дуже різноманітна і продумати все заздалегідь неможливо.