2. ВИДЫ КОРРОЗИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
2.1. При оценке технического состояния конструкций, пораженных коррозией, прежде всего необходимо определить вид коррозии. Это дает возможность, во-первых, сузить интервал поисков основных причин коррозионного повреждения конструкций, во-вторых, более точно определить влияние коррозионных повреждений на несущую способность элементов конструкций, в-третьих, разработать наиболее обоснованные мероприятия по восстановлению несущей способности и защите конструкций от коррозии. Ниже описаны основные виды коррозии стальных и алюминиевых строительных конструкций с характерными признаками, по которым устанавливают виды коррозии на стадии предварительной оценки технического состояния конструкций.
2.2. Сплошная коррозия характерна для стали, алюминия, цинковых и алюминиевых защитных покрытий в любых средах, в которых коррозионная стойкость данного материала или металла покрытия недостаточно высока. Этот вид коррозии характеризуется относительно равномерным по всей поверхности постепенным проникновением в глубь металла, т. е. уменьшением толщины сечения элемента или толщины защитного металлического покрытия. При коррозии в нейтральных, слабощелочных и слабокислых средах элементы конструкций покрываются видимым слоем продуктов коррозии, после механического удаления которого до чистого металла поверхность конструкций оказывается шероховатой, но без очевидных язв, точек коррозии и трещин; при коррозии в кислых (а для цинка и алюминия и в щелочных) средах видимый слой продуктов коррозии может не образоваться. Наиболее подверженными этому виду коррозии участками, как правило, являются узкие щели, зазоры, поверхности под головками болтов, гайками, другие участки скопления пыли, влаги по той причине, что на этих участках фактическая продолжительность коррозии больше, чем на открытых поверхностях.
2.3. Коррозия пятнами характерна для алюминия, алюминиевых и цинковых покрытий в средах, в которых их коррозионная стойкость близка к оптимальной, и лишь случайные факторы могут вызвать местное нарушение состояния устойчивости материала. Этот вид коррозии характеризуется небольшой глубиной проникновения коррозии по сравнению с поперечными (в поверхности) размерами коррозионных поражений. Пораженные участки покрываются продуктами коррозии как и при сплошной коррозии. При выявлении этого вида коррозии необходимо установить причины и источники временных местных повышений агрессивности среды за счет попадания на поверхность конструкции жидких сред (конденсата, атмосферной влаги при протечках и т. п.), локального накопления или отложения солей, пыли и т. д.
2.4. Язвенная коррозия характерна в основном для углеродистой и низкоуглеродистой стали (в меньшей степени - для алюминия, алюминиевых и цинковых покрытий) при эксплуатации конструкций в жидких средах и грунтах. Язвенная коррозия низколегированной стали в атмосферных условиях чаще всего связана с неблагоприятной структурой металла, т. е. с повышенным количеством неметаллических включений, в первую очередь сульфидов с высоким содержанием марганца. Язвенная коррозия характеризуется появлением на поверхности конструкции отдельных или множественных повреждений, глубина и поперечные размеры которых (от долей миллиметра до нескольких миллиметров) соизмеримы. Язвенная коррозия обычно сопровождается, образованием толстых слоев продуктов коррозии, покрывающих всю поверхность металла или значительные ее участки вокруг отдельных крупных язв (характерно для коррозии незащищенных стальных конструкций в грунтах). Язвенная коррозия листовых конструкций, а также элементов конструкций из тонкостенных труб и прямоугольных элементов замкнутого сечения со временем переходит в сквозную с образованием отверстий в стенках толщиной до нескольких миллиметров. Язвы являются острыми концентраторами напряжений и могут оказаться инициаторами зарождения усталостных трещин и хрупких разрушений. Для оценки скорости язвенной коррозии и прогнозирования ее развития в последующий период определяют средние скорости проникновения коррозии в наиболее глубоких язвах и количество язв на единицу поверхности. Эти данные в дальнейшем следует использовать при расчете несущей способности элементов конструкций.
2.5. Точечная (питтинговая) коррозия характерна для алюминиевых сплавов, в том числе анодированных, и нержавеющей стали. Низколегированная сталь подвергается коррозии этого вида крайне редко. Практически обязательным условием развития питтинговой коррозии является воздействие хлоридов, которые могут попадать на поверхность конструкций на любой стадии, начиная от металлургического производства (травление проката) до эксплуатации (в виде солей, аэрозолей, пыли). При обнаружении питтинговой коррозии необходимо выявить источники хлоридов и возможности исключения их воздействия на металл.
Питтинговая коррозия представляет собой разрушение в виде отдельных мелких (не более 1 - 2 мм в диаметре) и глубоких (глубина больше поперечных размеров) язвочек. О скорости проникновения коррозии судят по тем же характеристикам, что и при язвенной коррозии. Глубину наиболее крупных питтингов можно измерить индикаторами часового типа со щупами в виде тонких прочных иголок, менее крупных питтингов - под оптическим микроскопом после отбора проб для лабораторного анализа.
2.6. Межкристаллитная коррозия характерна для нержавеющей стали и упрочненных алюминиевых сплавов, особенно на участках сварки, и характеризуется относительно равномерным распределением множественных трещин на больших участках поверхности конструкций. Глубина трещин, обычно меньше, чем их размеры на поверхности. На каждом участке развития, этого вида коррозии трещины практически одновременно зарождаются от многих источников, связь которых с внутренними или рабочими напряжениями, не является обязательной. Под оптическим микроскопом на поперечных шлифах, изготавливаемых из отобранных проб, видно, что трещины распространяются только по границам зерен металла. Отдельные зерна и блоки могут выкрошиваться, в результате чего образуются язвы и поверхностное шелушение. Основной характеристикой межкристаллитной коррозии является средняя скорость проникновения коррозионных трещин в глубь металла, устанавливаемая в соответствии с ГОСТ 9.021 - 74* и ГОСТ 6032 - 84*.
2.7. Коррозионное растрескивание - вид квазихрупкого разрушения стали и высокопрочных алюминиевых сплавов при одновременном воздействии статических напряжений растяжения и агрессивных сред; характеризуется образованием единичных и множественных трещин, связанных с концентрацией основных рабочих и внутренних напряжений. Трещины могут распространяться между кристаллами или по телу зерен, но с большей скоростью в плоскости, нормальной к действующим напряжениям, чем в плоскости поверхности.
Углеродистая и низколегированная сталь обычной и повышенной прочности (с s0,2 < 600 МПа) подвергается этому виду коррозии в ограниченном количестве сред: горячих растворах щелочей и нитратов, смесях СО - СО2 - Н2 - Н2О и в средах, содержащих аммиак или сероводород. Коррозионное растрескивание высокопрочной стали, например высокопрочных болтов, и высокопрочных алюминиевых сплавов может развиваться в атмосферных условиях и в различных жидких средах.
При установлении факта поражения конструкции коррозионным растрескиванием необходимо убедиться в отсутствии признаков других форм квазихрупкого разрушения (хладноломкости, усталости). Для этого к проведению обследования необходимо привлекать специалистов в области металловедения, проводить фрактографический анализ проб, в некоторых случаях - химический анализ материалов на содержание водорода. Разрушение отдельных элементов конструкций (высокопрочных болтов, канатов и т. п.) в результате коррозионного растрескивания обычно происходит внезапно. Лишь в листовых конструкциях возможно постепенное развитие трещин, за которыми можно вести наблюдение. Тогда о степени интенсивности коррозионного растрескивания судят по средней скорости роста наиболее длинных трещин.
2.8. Коррозионная усталость - вид квазихрупкого разрушения материалов при одновременном воздействии циклических напряжений и жидких агрессивных сред. Она характеризуется теми же внешними признаками, что и коррозионное растрескивание. Об интенсивности коррозионной усталости судят по количеству циклов, которое элементы конструкций могут выдерживать до зарождения трещин, или по скорости роста наиболее длинных трещин в листовых конструкциях.
2.9. Расслаивающая коррозия присуща алюминиевым сплавам и характеризуется разделением металла по границам зерен в плоскостях, параллельных плоскости горячей деформации (прокатки, прессования, экструзии и т. д.). Внутри металла по плоскостям разделения образуются продукты коррозии алюминия. Расслаивание одновременно распространяется из нескольких источников и может происходить в нескольких параллельных плоскостях. Как частный случай расслаивающей коррозии можно рассматривать и поверхностное шелушение, описанное в п. 2.6.
2.10. Контактная коррозия выражается в резком, чаще всего местном увеличении глубины проникновения сплошной коррозии одного из двух разнородных металлов или сплавов, между которыми существует электрический контакт за счет металлической связи и за счет одновременного воздействия одной и той же электропроводной среды (электролита) на оба металла или сплава. Зона распространения контактной коррозии определяется равномерностью распределения электролита на поверхности конструкций и его электропроводностью. При атмосферной коррозии сплошная пленка влаги (электролита) обычно очень тонка, не всегда равномерно распределяется по поверхности конструкций и, следовательно, характеризуется значительным электросопротивлением. В связи с этим протяженность зоны действия условий, способствующих протеканию контактной коррозии, составляет от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров от непосредственной границы контакта между разнородными металлами.
Зона контактной коррозии в сплошных электропроводных средах (природных и технических водах, грунтах и т. п.) может распространяться на расстояния до нескольких десятков метров. В этом случае важнейшей характеристикой опасности контакта является соотношение площадей поверхности элементов из более благородного (катодного) металла или сплава и менее благородного (анодного). Чем больше отношение площади катода к площади анода, тем интенсивнее протекает разрушение элементов конструкций из менее благородного материала. Такие контакты могут послужить причиной контактной коррозии анодных материалов, например углеродистая или низколегированная сталь - для алюминия и его сплавов, углеродистая или низколегированная сталь - для оцинкованной стали, алюминий и его сплавы - для оцинкованной стали, нержавеющая сталь, титан или медь - для углеродистой или низколегированной стали, оцинкованной стали, алюминия и его сплавов.
Неблагоприятное воздействие контакта стальной подложки и цинкового защитного покрытия на разрушение последнего, являющегося анодом по отношению к стали, наблюдается в местах несплошности покрытия (на кромках, в том числе кромках отверстий, и т. п.).
Контактная коррозия в электролитах с высокой электропроводностью может возникать в следующих частных случаях:
при контакте низколегированной стали различных марок, если одна из них легирована медью и (или) никелем;
при введении этих элементов в сварные швы в процессе сварки стали, не легированной этими элементами;
при воздействии на конструкции из стали, не легированной медью и никелем, а также из оцинкованной стали или из алюминиевых сплавов, пыли, содержащей тяжелые металлы или их оксиды, гидрооксиды, соли; перечисленные материалы являются катодами по отношению к стали, алюминию, металлическим защитным покрытиям;
при попадании на конструкции из перечисленных материалов потеков воды с корродирующих медных деталей;
при попадании на поверхность конструкций из оцинкованной стали или алюминиевых сплавов графитовой либо железорудной пыли, коксовой крошки;
при контакте алюминиевых сплавов между собой, если один сплав (катодный) легирован медью, а другой (анодный) ¾ нет.
2.11. Щелевая коррозия в чистом виде присуща конструкциям из нержавеющей стали в агрессивных жидких средах, в которых материалы вне узких щелей и зазоров устойчивы благодаря пассивному состоянию т.е. вследствие образования на их поверхности защитной пленки. Из-за недостаточного доступа кислорода в узкие щели и зазоры пассивное состояние стали в них неустойчиво, металл в щелях становится анодным по отношению к металлу вне щелей и зазоров, коррозия протекает подобно контактной, как описано в п. 2.10.
2.12. Коррозия в результате неравномерной аэрации характерна для протяженных стальных конструкций, подвергающихся воздействию жидких сред или грунтов с высокой электропроводностью. Связана с неравномерным доступом кислорода к различным участкам поверхности конструкций, например вследствие различной плотности грунтов, экранирования части поверхности неметаллами, в частности отслаивающимися полимерными покрытиями и т. п. Анодными становятся участки, доступ кислорода к которым наиболее ограничен, а доступ электролита обеспечен. Коррозия на этих участках протекает подобно контактной, как описано в п. 2.10.
2.13. Коррозия, вызываемая токами от внешних источников, присуща конструкциям, описанным в п. 2.12. Однако движущей силой процесса являются не неравномерная аэрация, а постоянные токи от посторонних источников, случайно попадающие в протяженные конструкции вследствие отсутствия или неисправности электроизоляционных, заземлительных, электродренажных и тому подобных устройств. Примерами таких источников являются рельсовый транспорт (для подземных конструкций), сварочные агрегаты, гальванические ванны и т. п. Коррозии подвергаются те участки конструкций, с которых стекают положительные заряды. Коррозия протекает подобно описанной в п. 2.10.
2.14. Для более подробного изучения перечисленных в пп. 2.2 - 2.13 видов коррозии строительных металлических конструкций необходимо пользоваться соответствующими работами1.
1 Жук Н. П. Курс теории коррозии и защиты металлов. - М.: Металлургия, 1976. - 472 с.; Коррозия: Справочник/Под ред. Л. Л. Шрайера. - М.: Металлургия, 1981. - 632 с.