Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Различные стальные оцинкованные изделия с успехом эксплуатируют в условиях, при которых они контактируют с водной средой. Однако в технической литературе опубликовано сравнительно мало данных о коррозии цинковых покрытии в водных средах. Часто такие данные носят противоречивый характер, что затрудняет их сопоставление H практическое использование.
Известно, что вода океанов, морей, рек, озер, бытовая и промышленная вода содержат растворенные газы; азот, кислород, двуокись углерода и другие газы. Кроме того, в воде любого типа, в большем или меньшем количестве, содержатся растворенные соли, коллоидные и взвешенные вещества, живые микроорганизмы, в воду попадают частицы пыли и дыма.
Особенно много солей морская (океанская) содержит вода, %:
Общее высокое содержание хорошо диссоциированных солей, большое содержание хлор-иона делают морскую воду электролитом с высокой электропроводностью и повышенной коррозионной активностью.
Таким образом, при изучении поведения цинка и цинковых покрытий в водных средах воду следует рассматривать как коррозионный электролит.
Кроме газовых и солевых компонентов на скорость коррозии цинка в воде влияют и другие факторы: концентрация водородных ионов (величина pH среды), температура, продолжительность воздействия, движение или перемешивание агрессивной среды.
Тодт, Слэндер и Бойд приводят данные о коррозии цинка, цинковых сплавов и цинковых покрытий в воде различного типа и состава (водопроводная, дистиллированная, морская, шахтная, речная и др.).
В табл. 90 приведены данные о коррозии стальных и оцинкованных образцов в различных водных средах. Эти данные не только подтверждают эффективность использования цинковых покрытий для зашиты стали от коррозии в водных средах, но и показывают влияние метода нанесения цинковых покрытий и условий испытаний на их коррозионную стойкость.
Наиболее полно исследована коррозионная стойкость H другие свойства цинковых покрытий, полученных в расплаве цинка. Это прежде всего обусловлено тем, что метод цинкования в расплаве цинка, обладая рядом преимуществ по сравнению с другими методами цинкования, дает возможность организовать широкое производство различных изделий (как по сортаменту цинкуемых изделий, так и по их тоннажу).
Горячеоцинкованные изделия эксплуатируют в холодной и горячей бытовой и промышленной воде, морской воде, в системах очистки сточных вод и других водных средах.
Как правило, в этих условиях эксплуатации цинковые покрытия контактируют с движущейся водной средой, что значительно изменяет характер и кинетику коррозионного процесса покрытий.
Широкие исследования по изучению коррозионной стойкости в движущихся водных средах цинковых покрытий, полученных различными методами, выполнены Р.П. Сазоновым, К.Н. Яндушкиным и Е.В. Проскуркиным, результаты которых частично приведены в работах.
Наиболее высокой коррозионной стойкостью в потоке морской воды (Черное море) обладают диффузионные цинковые покрытия, полученные в порошковых смесях или в расплаве цинка с последующей термической обработкой.
На рис. 217 показана зависимость скорости коррозии от времени для цинковых покрытий, полученных различными методами. В начальный период испытаний (до 1000 ч) происходит интенсивное взаимодействие покрытия с коррозионной средой и скорость коррозии для всех видов цинковых покрытий весьма высокая. В последующий период коррозионный износ резко уменьшается в связи с образованием на поверхности покрытия защитного слоя нерастворимых продуктов коррозии окисления цинка.
Стабилизировавшиеся значения скорости коррозии цинковых покрытий при скоростях морской воды 1,5 и 3 м/с составляют для электролитического покрытия 13—17 мкм/год; для покрытия, полученного в расплаве цинка, 15—18 мкм/год; в расплаве цинка и термически обработанного 8—9 мкм/год; в порошковых смесях 7—8 мкм/год. На цинковых покрытиях, полученных в порошковых смесях или прошедших термическую обработку, формирование защитного слоя происходит за более короткое время, чем на покрытиях, полученных электролитическим цинкованием или в расплаве цинка. Прежде всего это объясняется тем, что у первых в процессе цинкования на поверхности образуется слой железоцинкового сплава, который способствует формированию прочно сцепленных с поверхностью покрытия нерастворимых продуктов окисления цинка. Если поверхностный слой покрытия состоит из чистого цинка (электролитическое цинкование, цинкование в расплаве цинка), то образуются рыхлые плохо сцепленные с поверхностью продукты коррозии, которые легко смываются потоком морской воды.
Таким образом, вид цинкового покрытия необходимо учитывать при определении срока службы оцинкованных грубопроводов, который ориентировочно рассчитывается по формуле:
где T — ориентировочный срок службы цинкового покрытия, годы; Т0 — время до стабилизации скорости коррозии, годы; 6 — исходная (принятая) толщина цинкового покрытия, мкм; δ0 — величина износа покрытия за время Т0; ρ — установившаяся скорость коррозии, мкм/год.
Скорость потока воды является одним из основных факторов, определяющих коррозионную стойкость трубопроводов. С увеличением скорости потока морской воды скорость коррозии цинковых покрытий возрастает (рис. 218). Однако это влияние менее значительно для цинковых покрытий, поверхностный слой которых состоит из железоцинковых соединений (покрытия, полученные в порошковых смесях или прошедшие термическую обработку). Такие покрытия
также имеют повышенную стойкость против коррозионно-эрозионного воздействия быстродвижущейся воды, что связано с упрочнением поверхности, вызванным образованием железоцинковых сплавов однородной структуры. Микротвердость последних значительно выше, чем приповерхностных слоев электролитического цинкового покрытия или покрытия, полученного в расплаве цинка.
На основании длительных коррозионных испытаний в потоке холодной морской воды авторы работ считают, что оцинкованные трубопроводы при эксплуатации с повышенными скоростями движения воды должны обладать некоторым преимуществом по сравнению с медными и медноникелевыми, подвергающимися интенсивной локальной коррозии в «слабых» элементах.
Одним из путей улучшения защитных свойств цинковых покрытий является легирование их небольшими количествами других элементов (Mg, Ti, Al и др.). Установлено, что диффузионные легированные цинковые покрытия обладают высокой коррозионной стойкостью в морских условиях (морская атмосфера, зона периодического смачивания морской водой, поток морской воды).
Поведение цинковых покрытий в водных средах в значительной степени определяется типом защитных пленок, природа и характер образования которых сильно зависят от состава, температуры и гидродинамического режима водной среды. Жесткая вода обычно менее агрессивна, содержащиеся в ней карбонаты и бикарбонаты имеют тенденцию к осаждению с образованием защитных пленок, которые замедляют коррозию цинка. Например, по данным, скорость коррозии цинка в естественной пресной воде может составлять от 2,5 мг/(дм2*сут) в жесткой воде до >25 мг/(дм2*сут) в мягкой воде.
Присутствующие в воде нитраты, сульфаты и хлориды могут усиливать коррозию цинка, но их влияние обычна подавляется влиянием карбонатов.
Наличие кислорода в воде ускоряет коррозию цинка в результате деполяризации катодных участков. Отмечено, что если кислород присутствует в воде в достаточном количестве, то наблюдается равномерная коррозия цинка, если количество кислорода ниже критического, на цинке появляется питтинговая коррозия.
Во всех природных водах присутствует углекислота, которая может находиться в воде в виде растворенного газа СО2 и недиссоцнированных молекул Н2СО3 или ионов НСО3- и СО3в2-.
Углекислота разрушает образующуюся на поверхности цинка оксидно-карбонатную пленку и тем самым усиливает коррозию цинка. С повышением температуры воды скорость коррозии цинка увеличивается. Это особенно заметно при температуре около 60°С. При температурах около 70°С в системе Zn—Fe может произойти изменение потенциала цинка, в результате чего цинковое покрытие становится катодам, а железо анодом. Отмечают, что изменению полярности цинка способствуют низкое содержание в воде кислорода и высокое бикарбонатов.
Большой практический интерес представляют данные о коррозионной стойкости цинка и цинковых покрытий в горячей воде.
По данным, коррозионная активность воды независимо от источника водоснабжения (поверхностный или подземный) характеризуется следующими основными показателями; индексом равновесного насыщения води карбонатом кальция, содержанием растворенного кислорода и суммарной концентрацией хлоридов и сульфатов.
В табл. 91 приведен состав водопроводной воды разной коррозионной активности.
В работах приведены данные о коррозионной стойкости цинковых покрытий, полученных различными методами в горячей водопроводной воде. Установлено, что цинковые покрытия, полученные в расплаве цинка, показали хорошую коррозионную стойкость в слабокоррозионной и коррозионной воде (см. табл. 91). Коррозия покрытия в этих средах имеет равномерный характер и после удаления отложений образцы имели чистую поверхность. Эти данные хорошо подтверждаются многолетним опытом эксплуатации оцинкованных труб в системах горячего водоснабжения г. Москвы.
Цинковые покрытия, полученные в порошковых смесях, в горячей водопроводной воде склонны к язвенной коррозии и на диффузионно оцинкованных в порошковых смесях образцах (толщина покрытия 80—100 мкм) за период испытаний 6 мес язвенные разрушения достигли поверхности основного металла.