Журнал Гидротехника XXI век №1 июнь 2010г

Журнал Речной транспорт №3 2010г

Изучением коррозии металлов наука занимается давно, в мировой практике есть существенные наработки по защите металлов от коррозии. В Европе это стандарт ISO 12944. Для защиты причальных сооружений от коррозии необходимо создание технического регламента и в нашей стране. Это повысит качество использования антикоррозионной защиты при проектировании новых причальных сооружений, а также при ремонте уже построенных сооружений.

Колгушкин А.В.
руководитель группы отдела портов и ГТС ЗАО "Ленгипроречтранс"

Беляев Н.Д.
к.т.н., доцент каф.ГТС, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Коррозия - одна из главных причин снижения надежности и безопасности конструкций морских и речных причалов. Борьба с коррозией металла имеет первостепенное значение и может рассматриваться в качестве самостоятельной задачи и одного из главных источников экономии металла. Под экономией металла необходимо понимать то, что нужно обслуживать как строящиеся, так и уже построенные сооружения, используя современные методы защиты. Так, в настоящее время в России существует проблема консервации уже не эксплуатируемых объектов, которые могли бы служить до сих пор при должной коррозионной защите (рис. 1).

В реальных условиях эксплуатации конструкции причалов подвергаются воздействию не только различных нагрузок (статических, динамических, циклических) и температур, но и различных агрессивных сред. Кроме этого, при длительной эксплуатации конструкций в них проходят процессы старения стали, приводящие к значительному изменению механических свойств. Очень часто вышеперечисленные факторы могут действовать совместно в самых разных сочетаниях, что приводит к значительному снижению несущей способности и уменьшению долговечности и безопасности причалов.

Причинами коррозионного разрушения металла в конструкциях причальных сооружений являются:

• нарушение правил производства работ по защите от коррозии;
• чрезмерные длительные периоды между изготовлением конструкций и осуществлением полной их защиты после монтажа;
• несоблюдение режимов эксплуатации систем электрохимической защиты;
• несвоевременное восстановление защитных покрытий в процессе эксплуатации конструкций.

В конструкциях морских и речных причалов используются различные сплавы. Например, швартовная тумба отливается из чугуна, в изготовлении шпунта и анкерных тяг используется низколегированная сталь (рис. 2). Если рассматривать зависимость коррозионных свойств от состава металла, то сплавы на основе железа можно разделить на три большие группы:

1. Обычные чугуны, сварочное железо, стали без легирующих добавок - все эти материалы легко поддаются коррозии.
2. Низколегированные стали, содержащие 2–3% добавок, обычно меди, хрома и никеля. Эти стали также подвергаются коррозии, однако при определенных атмосферных условиях на поверхности металла образуется слой продуктов коррозии. Он обладает хорошей адгезией и становится защитным. При этом скорость коррозии уменьшается в несколько раз по сравнению с вышеупомянутыми обычными сталями.
3. Нержавеющие стали с высоким содержанием легирующих добавок, например 18% Cr, 8% Ni и 3% Mo. Эти стали практически не корродируют. Конструкции причальных сооружений испытывают воздействия внешней среды по высоте сооружения.

Атмосферная коррозия

Атмосферная коррозия - процесс, который происходит при наличии влажного слоя на металлической поверхности. Влажный слой может быть настолько тонок, что он невидим для невооруженного глаза. Скорость коррозии увеличивается при наличии следующих факторов:

• увеличение относительной влажности;
• выпадение конденсации (когда температура поверхности ниже точки выпадения росы);
• увеличение количества загрязнения в атмосфере (коррозийные загрязнители могут реагировать со сталью и формировать отложения на поверхности).

Для оценки коррозийной агрессивности в атмосферной зоне очень важно иметь оценку местной среды и местной микросреды.

Коррозийный износ в атмосферной зоне после первого года службы сооружения для металлоконструкций, по оценкам ИСО 12944-2, для низкоуглеродистой стали приведен в таблице 1.

Массовая потеря или потеря толщины (после первого года воздействия)		Примеры типичной среды в умеренном климате
Низкоуглеродистая сталь		Внешний климат
Потеря массы, мкг	Потеря толщины, мм
От 650 до 1500	От 80 до 200	Прибрежные или морские территории с высокой соленостью

Загрязнение амосферы

Влажность имеет решающее значение, и для причальных конструкций, будь то речные или морские причалы, постоянная увлажненность поверхности - обычный фактор. В атмосфере с достаточной для коррозии влажностью определяющее влияние на скорость коррозии оказывают примеси, содержащиеся в воздухе. В отсутствие этих примесей коррозия невелика даже в очень влажном воздухе. Наиболее важной примесью в промышленной атмосфере является двуокись серы, хотя могут иметь значения также хлориды и соли аммония. Наиболее существенный эффект хлориды оказывают вблизи морского побережья. В присутствии хлоридов коррозия может протекать при влажности всего 40%. Сталь элементов конструкции непрерывно находится в водяной пыли, содержащей морские соли, коррозия протекает с почти невероятной скоростью.

Двуокись серы появляется в воздухе в результате сгорания топлива. Она может влиять на коррозию как катодный деполяризатор, ускоряющий коррозию в большей степени, чем растворенный кислород.

В исследовании атмосферной коррозии было установлено, что на скорость коррозии стали в некоторой степени влияет и масса образца, т. к. от нее зависит продолжительность выравнивания температуры поверхности образца в соответствии с температурой окружающей среды. Это в свою очередь определяет количество конденсирующейся влаги и время, в течение которого поверхность стали остается влажной после дождя или росы. Например, в проведенных химической лабораторией годовых испытаниях под навесом было установлено, что толстые стальные пластины корродируют быстрее, чем тонкие (таблица 2).

Толщина пластинки, мм	55	28	12,5	5
Средняя глубина проникновения коррозии, мм	0,038	0,033	0,031	0,030

Отсюда следует, что правильное проектирование может внести важный вклад в уменьшение коррозии стальных конструкций, т. к. учет влияния массы металла и условий конденсации влаги позволяет снизить вероятность локального поражения.

Также на скорость атмосферной коррозии может влиять состояние поверхности металла. Как уже отмечалось, наличие вторичной окалины может на некоторое время снизить скорость коррозии. Однако при достаточно больших промежутках времени состояние поверхности уже не является, как правило, определяющим фактором, что подтверждают, например, представленные ниже результаты пятилетних коррозионных испытаний на открытом воздухе. Изменения средней глубины проникновения коррозии (мм) при разных способах обработки образцов из малоуглеродистой стали приведены в таблице 3.

Вид обработки поверхности металла	Скорость коррозии, мм
Прокатка	0,545
Травление	0,545
Пескоструйная очистка	0,532
Механическая обработка	0,534
Полировка	0,532

При расчете скоростей атмосферной коррозии учитывалась средняя глубина проникновения коррозии и не принимались во внимание питтинги.

Коррозия в воде

Причальные сооружения испытывают серьезные коррозионные разрушения, как на море, так и на реках, и все это связано с воздействием воды на сооружение. Область воздействия воды на сооружение можно разделить на три зоны:

• Зона брызг - область, подверженная волнам или разбрызгиванию, что может привести к исключительно высокой коррозии, особенно если это морская вода. В данной зоне для оценки коррозийного напряжения нужно определить тип воды - пресная, солоноватая или соленая - это имеет значительное влияние на коррозию стали. На коррозионность также влияют содержание кислорода в воде, тип и количество растворенных в воде веществ и температура воды.
• Зона переменного смачивания - область, в которой уровень воды меняется из-за естественных или искусственных эффектов, таким образом, увеличивая коррозию из-за комбинированного влияния воды и атмосферы.
• Подводная зона - область, которая постоянно находится под водой, в данной зоне существенно увеличивается скорость под воздействием биокоррозии и коррозии под действием блуждающих токов. Наличие животных или растений может ускорить коррозию.

Выделим основные факторы, влияющие на скорость коррозии в воде.

Влияние состава металла - все обычные конструкционные материалы на основе железа в естественных водных средах при полном погружении корродируют практически с одинаковыми скоростями. Для заметного повышения коррозионной стойкости стали в водных средах обычно необходимо ввести более 3% легирующих добавок, например хрома.

Влияние состояния поверхности стали при погружении в воду имеет очень большое значение. Это объясняется тем, что многие естественные водные среды являются хорошими электролитами, и в случае их постоянного контакта со сталью возникают достаточно благоприятные условия для электролитной коррозии. Например, наличие на поверхности вторичной окалины намного опаснее при погружении в морскую воду, чем при экспозиции на воздухе, т. к. гальваническая пара, образованная окалиной и чистой сталью, гораздо более активна в первом случае и может привести к быстрому питтингообразованию.

Коррозия сварных соединений. Интенсивное питтингообразование может происходить в местах сварки. Известны случаи скорости коррозии сварных швов на ледоколах до 10 мм/год. Причиной интенсивной коррозии считают образование гальванических пар между металлом шва и стальными листами. Использование для сварки электродов из более благородных металлов позволяет решить эту проблему.

Влияние состава воды. Состав воды в значительной степени влияет на скорость коррозии стали, т. к. соленые и кислые водные растворы - агрессивные среды для стали. Основными факторами в составе воды являются природа и количество растворенных твердых веществ (от этого зависит электропроводность), значение pH, жесткость воды, содержание двуокиси углерода и кислорода и наличие органических веществ.

Влияние условий эксплуатации. Условия эксплуатации связаны с целым рядом факторов: температура, скорость потока, особенности конструкции и блуждающие токи.

Температура воды влияет на скорость коррозии несколькими путями. Во-первых, скорость коррозии, как и всех химических реакций, увеличивается при повышении температуры. Во-вторых, более важно влияние температуры на природу и растворимость продуктов коррозии.

Скорость потока воды не менее важна. Поток доставляет кислород к корродирующей поверхности и может уносить с нее продукты коррозии, накапливание которых могло бы замедлить дальнейшую коррозию. Обильное снабжение кислородом катодных участков активизирует коррозию.

Необходимо учитывать и особенности конструкции. Острые углы в направлении потока могут стать причиной сильного локального поражения из-за ударной коррозии. Непродуманное взаимное расположение стали и цветных металлов, таких как медь или бронза, может вызвать сильную гальваническую коррозию.

Из сказанного выше следует отметить, что результаты лабораторных исследований коррозии или натуральных испытаний в естественных водных средах необходимо с большей осторожностью использовать для решения практических задач. Тем не менее общее представление о скоростях коррозии можно составить. С этой целью некоторые экспериментальные данные представлены в таблице 4.

Тип воды	Продолжительность испытаний, годы	Средняя скорость общей коррозии, мм/год
Морская	15	0,108
	5	0,065
Пресная	15	0,043
Речная	15	0,068
	5	0,010

Коррозия в почве

Зона заглубления в грунт - коррозия в почве зависит от содержания минералов в почве и от их природы, а также от наличия органических веществ, воды и содержания кислорода. Там, где стальные конструкции соприкасаются с различными типами почв, увеличение местной коррозии может происходить из-за формирования коррозионных элементов.

Влияние состава металла. Подземная коррозия железа и стали имеет в основном электрохимический характер, но вместе с тем продукты коррозии обычно остаются в контакте с металлом. Кроме того, скорость притока кислорода, как правило, меньше скорости при коррозии в воздухе или воде. Этими причинами, по-видимому, в основном и объясняется отсутствие существенных различий в скоростях общей коррозии обычных сталей и чугунов в большинстве видов почв. Скорости эти сравнительно невелики, например 0,038 мм/год при 10-летнем пребывании в глинистой почве.

Влияние вида почв. Коррозионная активность почв изменяется в широких пределах. Как правило, сухие песчаные или известковые почвы с высоким электросопротивлением являются наименее коррозионноактивными. Глинистые и сильно соленые почвы с высокой электропроводностью - наиболее коррозионноактивны. Большое значение имеет уровень грунтовых вод: многое зависит от того, находится ли сталь постоянно выше или ниже этого уровня, или, что более вероятно, от того, будет ли материал попеременно сырым и сухим.

Максимальную скорость общей коррозии (0,068 мм/год) наблюдали в испытаниях, проведенных Национальным бюро стандартов (США). В Великобритании наибольшие скорости были получены в испытаниях, организованных Британской научно-исследовательской ассоциацией черной металлургии и национальной физической лабораторией - 0,035 мм/год и 0,050 мм/год соответственно. Максимальные скорости питтинговой коррозии были гораздо выше: 0,25 мм/год по американским и 0,30 по британским данным.

Таким образом, для повышения безопасной эксплуатации причалов необходимо применять три системы защиты (рис. 3):

• защита от атмосферной коррозии;
• защита от морской или речной коррозии;
• защита от почвенной коррозии.

Согласно пункту 5.3.7. СНиП 33-012003, гидротехнические сооружения, их конструкции и основания, как правило, надлежит проектировать таким образом, чтобы условие (1) недопущения наступления предельных состояний соблюдалось на всех этапах их строительства и эксплуатации, в том числе и в конце назначенного срока их службы.

Назначенные сроки службы основных гидротехнических сооружений в зависимости от их класса должны быть не менее расчетных сроков службы, которые принимают равными:

• для сооружений I и II класса - 100 лет;
• для сооружений III и IV класса - 50 лет.

Для безопасной эксплуатации причалов на протяжении всего расчетного срока службы необходимо применение современных методов защиты металла. Рассмотрим способы антикоррозионой защиты от воздействия атмосферы, воды и почвы.

Защита от атмосферной коррозии

Для эффективной защиты металла от атмосферной коррозии применяют два вида защиты: нанесение покрытий лакокрасочных, металлических, конверсионных, комбинированных и легирование металла (рис. 4). Следует отметить, для сохранения коррозионной стойкости и однородности сварных соединений при сварке следует использовать электроды из соответствующих низколегированных сталей.

Защита от коррозии в водных средах

В водной среде коррозия протекает по трем различным механизмам, поэтому требует различных подходов к защите материалов. Данное разделение уже было показано выше. Рассмотрим наиболее эффективные способы защиты для каждой из зон.

Зона брызг - защита данной зоны может осуществляться путем применения запаса на коррозию или специальных коррозионностойких сплавов, покрытия поверхности металла долговечными лакокрасочными покрытиями.

Для защиты зоны переменного уровня - применение запаса на коррозию или использование коррозионностойких сплавов является одним из наиболее надежных способов борьбы с коррозией. В мировой практике разработано много рецептов с целью получения коррозионностойких конструкционных сплавов. Несмотря на относительно высокую стоимость, этот метод представляется весьма перспективным.

Широко распространен метод нанесения на металл лакокрасочных и металлизационных покрытий. В настоящее время разработано большое число красок для защиты причальных ГТС от коррозии на основе эпоксидной и уретановой смол. Обычно применяют комбинированные покрытия, которые наносят в несколько слоев. Они служат в воде свыше 15 лет. Для защиты стальных конструкций от морской агрессии с успехом можно применять металлизационные покрытия - цинковые или алюминиевые. Практика показала, что поверх этих покрытий желательно нанести слой грунтовки и слой краски.

В подводной зоне для защиты причалов от коррозии в настоящее время широко применяют катодную защиту, к достоинствам которой относятся надежность, простота схемы, легкость контроля за ее действием, возможность ее применения в комбинации с другими методами. Следует отметить, что катодная защита не работает в зоне брызг и атмосферной зоне. Катодная защита может быть выполнена в двух вариантах: катодная защита наложенным током от внешнего источника и протекторная защита.

В первом случае осуществляется катодная поляризация сооружения от внешнего источника электрической энергии, и при этом сооружение получает настолько большой отрицательный потенциал, при котором окисление металла становится невозможным. Анодом в этом случае служат эластомеры (срок службы 15 лет), платинированный титан (срок службы 20 лет). Раньше использовались недолговечные материалы для изготовления анодов - графитовые стержни, куски стали или другие материалы.

Во втором случае катодная поляризация вызывается постоянным электрическим контактом сооружения из стали с металлом, обладающим более отрицательным потенциалом, например магнием, цинком, алюминием или их сплавами. Этот металл, являясь анодом, разрушается и должен периодически заменяться. Сооружение при этом является катодом и не подвергается коррозии.

Защита от коррозии в почвах и грунтах

В защите подземной части сквозного сооружения от подземной коррозии нельзя использовать изоляцию сооружения от контакта с окружающим грунтом и ограничение влияния блуждающих токов. Это связано с невозможностью обеспечения целостности покрытия при забивке свай в грунт.

При защите подземной части металлической сваи сквозных сооружений все чаще используют катодную защиту. Катодную поляризацию осуществляют установками дренажной и катодной защиты, а также протекторными установками.

Дренажная защита - это способ защиты от коррозии блуждающими токами, который заключен в вынужденной катодной поляризации путем отвода блуждающих токов от защищаемого сооружения к источнику этих токов.

Катодная защита - электрохимическая защита металла, осуществляемая принудительной или вынужденной катодной поляризацией, при которой сооружению сообщают такой отрицательный электрический потенциал, что окисление металла термодинамически затрудняется и скорость коррозии становится пренебрежительно мала.

Протекторная защита - способ защиты сооружения принудительной катодной поляризацией с помощью подключения к нему электродов из металла, обладающего в данной среде более отрицательным потенциалом, чем потенциал металла сооружения.

Согласно приведенным условиям эксплуатации морских и речных причалов, необходим регламент антикоррозионной защиты причальных сооружений. Документ должен содержать системный подход к вопросам борьбы с коррозией, включающий: варианты систем защиты, предлагаемые к климатической зоне района строительства; уточнение, какой элемент конструкции нуждается в защите от коррозии; коррозионные скорости, полученные на основании наработанного опыта. Информационной базой для создания необходимого регламента могут послужить накопленные данные по каждому построенному причалу на основании ежегодных проводимых обследований. Подобный норматив позволит существенно улучшить качество проектирования и эксплуатации причальных сооружений.