Коррозия - это процесс разрушения металлов в результате взаи­модействия их с внешней средой. Термин ржавление применим только к коррозии железа и его сплавов с образованием продуктов коррозии, состо­ящих в основном из гидратированных оксидов железа. Другие металлы и их сплавы, следовательно, корродируют, но не ржавеют.

Различают химическую и электрохимическую коррозию. Химическая коррозия возникает при воздействии на металл агрессивных веществ (жидких, газообразных) обычно при высоких температурах. Примером такой коррозии является окисление раскаленного железа в воздухе, сопровождаемое образованием слоя окалины. Электрохимическая кор­

розия возникает при контакте металлов с электропроводящей жидко­стью - электролитом (кислотами, щелочами, водными растворами; агрес­сивной средой является и морская вода).

Как правило, коррозионные процессы являются электрохими­ческими, именно по этому механизму корродируют основной металл и сварные соединения судов. Электрохимическая коррозия - сложный процесс, сопровождаемый развитием окислительно-восстановительных ионных реакций на поверхностях соприкосновения металла с электро­литом. Развитие этих реакций обусловливает появление электрических токов. Здесь уместна аналогия с гальваническим элементом, представ­ляющим собой систему из двух разнородных электрических проводни­ков (электродов), погруженных в электролит. Гальванический элемент преобразует химическую энергию в электрическую.

Существуют три основных типа элементов, принимающих участие в коррозионных процессах.

1. Элемент с разнородными электродами - система из двух раз­нородных электродов, погруженных в электролит. Примерами та­ких элементов являются:

• бронзовый винт судна, контактирующий со стальным корпу­сом судна;

• нагартованный металл в контакте с таким же отожженным ме­таллом;

• граница зерна металла в контакте с самим зерном;

• монокристаллы разной ориентации и др.

Следует заметить, что любая поверхность металла с вкраплениями при­месей представляет собой совокупность электродов, замкнутых между со­бой через основной металл. Локальные токи и коррозия не возникают, пока металл остается сухим. При погружении металла в воду или водные раство­ры локальные электроды начинают функционировать, что сопровождается превращением металла в продукты коррозии.

2. Концентрационный элемент - система двух одинаковых электро­дов, контактирующих с растворами разных составов. Из возмож­ных типов концентрационных элементов, имеющих большое прак­тическое значение, следует выделить элемент дифференциальной аэрации. Примером может служить элемент из двух железных электродов, погруженных в разбавленный раствор хлористого на­трия NaCl, причем у одного электрода электролит интенсивно на­сыщается воздухом, а у другого - деаэрируется азотом. Различие в концентрации кислорода сопровождается возникновением раз­ности потенциалов, что обусловливает протекание тока. Возник­новение элемента этого вида вызывает разрушения в щелях (щеле­

вая коррозия), образующихся на стыках труб или в резьбовых со­единениях, поскольку концентрация кислорода в щелях ниже, чем снаружи. Этим также объясняется язвенное разрушение под сло­ем ржавчины (рис. 20.18, а) или коррозия на границе раздела ра­створ-воздух (рис. 20.18, б). Доступ кислорода к участкам метал­ла, покрытым ржавчиной или другими твердыми продуктами коррозии, затруднен по сравнению с участками, покрытыми тон­кими пленками или свободными от них.

а)

Элементы дифференциальной аэрации часто являются причиной язвенной или щелевой коррозии нержавеющих сталей, алюминия, ни­келя и других пассивных металлов в водных средах, например в морс­кой воде.

2. Термогальванический элемент - система двух одинаковых элек­тродов, но имеющих разную температуру, контактирующих с электролитом одинакового состава. Эти элементы возникают в теплообменниках, паровых котлах, погруженных нагревателях и аналогичном оборудовании.

На практике коррозия может быть связана с элементами всех трех типов.

Для любого гальванического элемента процесс коррозии харак­теризуется двумя процессами - анодным и катодным. Начальный по­тенциал анода - отрицательный, катода - положительный.

Электрод, на котором происходит окисление, т. е. электроны посту­пают из раствора в электрод, называется анодом:

Ме+иН20 —> Ме+пН20 + ё, (20.17)

где Me - атом металла; Н20 - молекула воды; Me п\20 - гидратирован­ный ион металла; е - свободный электрон.

Реакция (20.17) - это реакция окисления в химическом смысле. Кор­розия металлов протекает именно на аноде: в электролит поступают по­ложительно заряженные гидратированные ионы металла.

Электрод, на котором протекает реакция восстановления, т. е. элек­троны из металла переходят в раствор, называется катодом:

-*Д-ё, (20.18)

где Д+ - ион.

Реакция (20.18) - это реакция восстановления в химическом смысле.

Проиллюстрируем вышесказанное схемой (рис. 20.19) коррозии в морской воде корпусной стали, имеющей поверхностный слой окали­ны, являющийся катодом по отношению к стали. В этом случае в при- анодной области образуются, согласно реакции (20.17), положительные ионы железа Fe2+. Освободившиеся электроны е внутри металла пере­ходят от анода к катоду. Находящиеся в морской воде положительные ионы водорода Н+ стремятся разрядиться на катоде с образованием Н2, а отрицательные ионы ОН, С1 перемещаются к аноду, где они соеди­няются с ионами железа Fe2+, образуя соответственно Fe(OH)2, Fe(OH)v FeCl.;, FeCl { (гидрооксиды и хлориды железа).

Интенсивность коррозионных процессов существенно зависит от разности электродных потенциалов элемента, так как эта разность оп­ределяет величину коррозионного тока, т. е. характеризует интенсив-

ность протекания реакции (20.17). Для оценки коррозионной стойкос­ти металлов в воде используются значения так называемых стандарт­ных электродных потенциалов, которые образуют металлы в паре с во­дородом (электродный потенциал водорода условно принят равным нулю).

Металл	Стандартный поте
Серебро	0,800
Медь	0,337
Водород	0
Свинец	-0,126
Никель	-0,250
Железо	-0,440
Хром	-0,740
Цинк	-0,763
Марганец	-1,18
Титан	-1,63
Алюминий	-1,66
Магний	-2,37

Более отрицательные значения потенциалов соответствуют более реакционноспособным металлам. Из двух металлов, составляющих эле­мент, анодом будет более активный, т. е. металл с наименьшим (более отрицательным) электродным потенциалом.

В реальных условиях механизм коррозионного разрушения металлов очень сложен и требует фундаментальных исследований конкретных коррозионных проблем, изучения электрохимических кинетик процес­сов. В настоящем подразделе указаны только некоторые общие сведе­ния, позволяющие судить о коррозии металлов.

Разность электродных потенциалов гальванопары не остается посто­янной в процессе коррозии в связи с так называемой поляризацией (тор­можением) процесса электрохимической коррозии. Поляризацией кор­розионного процесса называют уменьшение начальной разности потенциалов коррозионной пары либо за счет смещения потенциала анода в положительную сторону (анодная поляризация), либо - катода в отри­цательную сторону (катодная поляризация). Характерным примером анодной поляризации является образование защитных барьерных (пас­сивных) пленок на поверхности некоторых металлов (нержавеющая сталь, алюминий и др.).

Скорость равномерной коррозии обычно измеряют уменьшением толщины элементов за год [мм/год], в отдельных случаях - потерей массы металла с единицы площади за час [г/(м2 ч)]. Металлы, у кото-

Рис. 20.19. Схема коррозионного процесса корпуса судна в морской воде (стрелками показано направление движения ионов и электронов): 1 - металл корпуса: 2 - окалина: 3 - морская вода

рых скорость коррозии не превышает 0,15 мм/год, относят к группе металлов, обладающих высокой коррозионной стойкостью, вследствие чего они пригодны для ответственных изделий и конструкций (конст­рукционные стали: ВСтЗсп - 0,13 мм/год, 10ХСНД - 0,10 мм/год). Металлы, у которых скорость коррозии более 1,5 мм/год, как конструк­ционные материалы не используются.

В зависимости от характера коррозионных разрушений элементов конструкций корпуса судна из углеродистых и низколегированных ста­лей, контактирующего с забортной водой и водовоздушными смеся­ми в надводных его частях, различают общую или равномерную кор­розию, заключающуюся в более или менее одинаковом разрушении поверхностей листов (лишенных защитного покрытия), и местную коррозию, при которой разрушения сосредоточиваются на небольших поверхностях.

Осмотры корпусов судов при доковых ремонтах показывают, что максимальные коррозионные разрушения корпуса и сварных соедине­ний наблюдаются в зоне переменной ватерлинии. Коррозионные раз­рушения в подводной части корпуса несколько ниже, но и они достига­ют часто значительных величин. Характерно, что наибольшие коррозионные разрушения наблюдаются на пазовых (горизонтальных) швах, особенно при выполнении их ручной дуговой сваркой покрыты­ми электродами. Стыковые швы (вертикальные), как правило, имеют точечноязвенные поражения. Процесс коррозии сварных соединений

корпуса судна в междудоковый период может быть условно разделен на четыре этапа (рис. 20.20):

	І1ІОИ
		Шов
			Шов
		НО	НО
НО	НО
__ 1 этап	__ 11 этап_	\ этаи_	_IV этаи_

Рис. 20.20. Схема изменения скорости коррозии наружной обшивки корпуса судна и сварных швов в междудоковый период

I - скорость коррозии очень низка, так как лакокрасочное покрытие полностью защищает корпус судна;

II - скорость коррозии сварных швов значительно возрастает, так как здесь, как правило, начинается разрушение лакокрасочных покры­тий;

III - скорость коррозии сварных швов несколько снижается, при этом возрастает скорость коррозии основного металла, что связано со значительным разрушением лакокрасочных покрытий;

IV - скорость коррозии корпуса снижается в связи с обрастанием обшивки корпуса судна.

Основными видами коррозионного разрушения сварных соедине­ний являются:

• равномерный износ сварного соединения (скорость коррозии всех зон сварного соединения одинакова);

• усиленный износ металла сварного шва (равномерный - рис. 20.21, а; локальный - рис. 20.21, б);

• усиленный износ ЗТВ (ножевая коррозия - рис. 20.21, в);

• усиленный износ основного металла вблизи ЗТВ (рис. 20.21, г, д).

Виды коррозионных разрушений сварных соединений тесно связаны с

термодинамической нестабильностью зон сварных соединений. Равномер­ный износ сварного соединения происходит в случае, когда потенциа­лы всех зон сварного соединения одинаковы, - это идеальный случай коррозии сварного соединения. Наиболее распространенным видом

Рис. 20.21. Коррозионные разрушения сварных соединений наружной обшивки корпуса судна

коррозии сварного соединения является усиленный износ металла сварного шва. Он характерен для сварного соединения, у которого потенциал сварного шва более отрицателен, чем потенциал основного металла. Усиленный износ металла ЗТВ при коррозии сварных соеди­нений корпусов морских судов начал наблюдаться с тех пор, как кор­пуса изготовляются из стали 09Г2. Аналогичные явления с несколько меньшей глубиной разрушения наблюдаются и на углеродистых ста­лях при применении для сварки электродов, легирующих металл шва хромом. Причинами усиленного разрушения металла ЗТВ и вне ее яв­ляются также специфическая структура отдельных зон, наличие ра - зупрочненной зоны и значительные остаточные сварочные напряже­ния растяжения во всех зонах сварного соединения.

Нельзя забывать, что интенсивность возможных коррозионных раз­рушений зависит и от многих других факторов (местных и внешних). Приведем некоторые примеры:

• неудовлетворительная поверхностная очистка листов наружной обшивки корпуса, наличие поверхностных пленок: как уже от­мечалось, окалина по величине потенциала - катод, места, сво­бодные от окалины, например сварные швы, - аноды; следова­тельно, разрушаться будут швы;

• неудовлетворительное выполнение лакокрасочных работ: есте­ственно, что коррозионные разрушения будут развиваться в тех местах корпуса судна, на которых защитное покрытие разруше­но, а это, в свою очередь, может предопределить соотношение пло­щадей анодных и катодных участков: чем больше площадь катод­ных участков (например, на основном металле) и чем меньше площадь анодных участков (например, металл шва), тем больше коррозионные разрушения анодных участков, т. е. сварных швов;

• усиление движения воды (турбулезация обтекающего потока)

усиливает отвод продуктов коррозии от поверхности металла и тем самым ускоряет коррозию;

• повышение температуры воды (в тропических зонах) сопровож­дается усилением диффузионных процессов, ускоряющим отвод продуктов коррозии и, соответственно, коррозию;

• наложение постоянного тока извне, например при сварочных ра­ботах наплаву, когда сварочный источник на берегу, а обратным проводом служит морская вода; этот вид коррозии крайне опа­сен, так как интенсивность коррозионного разрушения корпуса резко возрастает.

Вопросы, связанные с защитой судовых конструкций и сварных со­единений от коррозии путем использования лакокрасочных покрытий, методов катодной защиты, рассматриваются в дисциплинах материа­ловедения и технологии судостроения. Ниже рассмотрены только об­щие направления повышения коррозионной стойкости, связанные с изготовлением судовых конструкций.

1. Предварительная подготовка элементов (листов, проката и пр.), поставляемых на сборку и сварку узлов и секций. Если на повер­хности листов остается слой прокатной окалины, то, с точки зре­ния коррозионной стойкости металла сварных швов, создаются неблагоприятные условия. В этом случае металл шва будет яв­ляться анодом и коррозионные разрушения его будут особенно интенсивными. Для удаления с элементов окалины, образующей­ся при прокате, термической обработке, применяется дробемет - ная очистка, после которой поверхности элементов подвергают­ся пассивированию в специальных реактивах.

2. Регулирование химического состава металла шва. Следует иметь химический состав металла шва таким, чтобы его электродный! по­тенциал был равен или был незначительно выше потенциалов ос­новного металла и металла ЗТВ. В этом случае шов будет являться катодом. Даже маленькая степень отрицательности электродного потенциала шва недопустима, так как это приведет к интенсивному коррозионному разрушению металла шва. Высокий электродный потенциал металла шва также недопустим, так как это обусловит интенсивное разрушение ЗТВ.

Необходимый уровень электродного потенциала металла шва дос­тигается его легированием никелем, медью, молибденом. Обычно для сварки малоуглеродистых и низколегированных конструкционных ста­лей используются присадочные материалы, легированные никелем и медью, наиболее эффективно легирование металла шва никелем в пре­делах (0,7... 1,1)%.

г>з і

С этой целью для ручной электродуговой сварки наружных слоев (швов, проходов) обшивки корпуса, а также для подварки прокорроди - ровавших швов корпуса (при ремонтных работах) из сталей ВСтЗсп, 09Г2, 10ХСНД, 12Г2СНД и др. следует рекомендовать электроды ма­рок Э-138/45Н и Э-138/50Н. Они обеспечивают следующий состав на­плавленного металла: С <0,11%, Si = (0,15...0,35)%, Мп = (0,35...0,65)%, Ni = (0,7...1,1)%.

При механизированной сварке аналогичных сталей под флюсами ОСЦ-45, АН-348А и подобных им необходимый уровень электродного потенциала металла шва достигается применением сварочной прово­локи марки Св-08ГН.

Для сварки в углекислом газе можно рекомендовать сварочную про­волоку марки Св-08ГСНТ.

3. Швы, обращенные в сторону будущей коррозионной среды, в сварных судовых конструкциях (секциях) следует выпол­нять в последнюю очередь. Они должны иметь равномерное очертание по длине при минимальной высоте усиления (для лучшего сохранения лакокрасочных покрытий). Рекоменду­ется применение механизированных способов сварки, в час­тности, автоматической сварки под флюсом, полуавтомати­ческой сварки порошковыми проволоками в защитном газе (смесь Аг и С02), обеспечивающими более плотный и термо­динамически более стабильный металл шва.

4. Следует помнить, что остаточные сварочные растягивающие на­пряжения ускоряют процессы общей и местной коррозии. А для некоторых конструкционных материалов (высокопрочные ста­ли, высоколегированные стали) возникает опасность коррозион­ного разрушения в виде трещин - коррозионное растрескивание под напряжением (КРН).