Анализ коррозионной стойкости нержавеющей стали и стальных труб

Что такое коррозия?
Коррозия-это электрохимический процесс, в котором металл реагирует с окружающей средой, и в результате деградация вызывает потерю свойств материала, таких как механическая прочность, внешний вид и непроницаемость для жидкостей и газов. Причиной коррозии является разница в энергии между металлом и его природной рудой. Требуется энергия, чтобы извлечь любой металл из руды. Эта «избыточная энергия» приводит к коррозии, потому что металл будет пытаться вернуться в свое естественное состояние. Электрохимически говоря, коррозия-это высвобождение электронов. Процесс высвобождения электронов называется реакцией окисления или анодной реакцией. Однако эти электроны нужно где-то потреблять, поэтому должна произойти реакция восстановления или катодная реакция.

Металлы, которые легко окисляются, такие как магний, называются недрагоценными (активными) металлами, в то время как наиболее устойчивые к коррозии металлы, такие как золото и платина, называются драгоценными (инертными) металлами. Между ними мы находим большинство металлов для инженерных целей, таких как железо и медь.

Нержавеющая сталь и пассивация
Нержавеющая сталь не является драгоценным металлом, как золото или платина, по своей природе. Коррозионная стойкость нержавеющей стали обеспечивается невидимым и нерастворимым тонким слоем оксидов и гидроксидов хрома и железа, обычно называемым пассивной пленкой.
Даже если толщина пассивной пленки составляет всего несколько нанометров, она может эффективно изолировать металл внизу от окружающей среды, эффективно замедляя электрохимическую реакцию, которая вызывает коррозию, а скорость коррозии намного ниже, чем без пассивной пленки. Другие металлы (такие как хром, алюминий и титан) также проявляют пассивацию, а нержавеющая сталь пользуется способностью хрома пассивировать.
В среде, содержащей достаточное количество окислителей, пассивная пленка на поверхности нержавеющей стали будет образовываться спонтанно. Кроме того, если металл под пассивной пленкой подвергается механическим повреждениям (например, царапинам), он самопроизвольно повторно пассивируется. Содержание кислорода в воздухе и большинстве водных растворов достаточно для формирования и поддержания пассивной пленки из нержавеющей стали. Если пассивная пленка может быть эффективно сохранена, нержавеющая сталь может использоваться почти постоянно.

Равномерная коррозия
Равномерная коррозия возникает в среде, где пассивная пленка нестабильна, а незащищенная металлическая поверхность уменьшается более или менее равномерно. Равномерная коррозия нержавеющей стали наиболее распространена в кислотных или горячих щелочных растворах. Кроме того, расплавленные соли хлоридов и фторидов также могут вызывать равномерную коррозию.
В среде с постоянной температурой и химическим составом ожидается, что равномерная коррозия будет происходить с достаточно постоянной скоростью. Скорость коррозии может быть определена путем измерения потери веса за единицу времени на определенной площади поверхности. Это обычно выражается в потере толщины с течением времени, например, мм/год. По определению, нержавеющая сталь, как правило, считается устойчивой к равномерной коррозии в конкретной среде, если скорость коррозии не превышает 0,1 мм/год.

Точечной и щелевой коррозии
Равномерная коррозия вызывает широкое разрушение пассивной пленки, но точечной и щелевой коррозии вызваны локализованным разрушением пассивной пленки. В реальных ситуациях коррозия нержавеющей стали обычно является результатом локализованной коррозии, а не равномерной коррозии. В этом случае гальванические пары образуются локально на поверхности нержавеющей стали, что вызывает быстрое распространение коррозии. По сравнению с равномерной коррозией потеря веса при локализованной коррозии может быть небольшой, а скорость коррозии как показатель тяжести коррозии не связана с локализованной коррозией. Напротив, точечной и щелевой коррозии считается или-или ситуации, и как только локализованная коррозия начинается, она быстро проникает в материал и его необходимо избегать.
В средах, содержащих ионы галогенов, таких как хлориды, нержавеющая сталь особенно восприимчива к точечной и щелевой коррозии. Поэтому среды, которые представляют риск локализованной коррозии, включают жидкости, содержащие большое количество хлоридов, такие как морская вода и различные промышленные растворы.
Коррозия щелей происходит в щелях и других замкнутых пространствах, а также под отложениями, образующимися при использовании. В водных средах естественные химические реакции на поверхности нержавеющей стали потребляют кислород. В застойном растворе внутри щели, запас новых окислителей ограничен. Состав раствора внутри щели постепенно становится отличным от состава окружающего раствора. Эта разница в составе увеличивает риск коррозии при формировании концентрационных ячеек.

Все более агрессивная среда в конечном итоге разрушает пассивную пленку внутри щели, и небольшая площадь открытой металлической поверхности будет действовать как анод для большей пассивной области вокруг щели.
Как и при любом типе коррозии, риск точечной и щелевой коррозии зависит от факторов окружающей среды и коррозионной стойкости сплава. Высокие концентрации хлорида, низкие значения pH и высокие температуры увеличивают вероятность точечной и щелевой коррозии. Другие галогениды, такие как бромиды и йодиды, также могут вызывать точечную и щелочную коррозию.

Стресс коррозии растрескивания
Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC)-это режим хрупкого разрушения, вызванного комбинированным воздействием механического напряжения и коррозионной среды. В средах, где не ожидается точечной, щелевой или равномерной коррозии, это может привести к быстрой потере механической прочности и может привести к катастрофическому разрушению путем растрескивания, что делает его скрытой формой коррозии. Для коррозионного растрескивания под напряжением должны быть выполнены три требования:
• Чувствительный материал
• Окружающая среда, в которой материал восприимчив к коррозионному растрескиванию под напряжением
• Достаточный растягивающий стресс
Если один из этих трех факторов будет удален, коррозионное растрескивание под напряжением не произойдет. Как и в случае точечной и щелевой коррозии, наиболее распространенными причинами коррозии под напряжением в нержавеющей стали являются хлоридсодержащие растворы и повышенные температуры. Риск коррозионного растрескивания под напряжением увеличивается с увеличением концентрации хлоридов, повышением температуры и снижением pH. Коррозия под напряжением в нержавеющей стали обычно проявляется в виде небольших разветвленных трещин.

Отказы, вызванные коррозионным растрескиванию под напряжением, часто происходят внезапно и без предупреждения из-за быстрого распространения трещин. В самых тяжелых случаях отказ компонента может произойти в течение нескольких дней или даже часов.

Коррозионная усталость
Когда материал подвергается циклической нагрузке, он способен терпеть неудачу при нагрузках, намного ниже предельного напряжения при растяжении материала. Если материал одновременно подвергается воздействию агрессивной среды, поломка может произойти через более короткое время, даже при меньших нагрузках. Это вызвано типом коррозии, называемой коррозионной усталостью, которая похожа на коррозионное растрескивание под напряжением и приводит к хрупкому разрушению. Однако трещины, вызванные коррозионной усталостью, имеют меньшее разветвление. Коррозионная усталость обычно возникает в условиях комнатной температуры и нейтральных растворах.

Межкристаллитная коррозия
Межкристаллитная корозия ссылается на тип местной корозии в которой границы зерен и смежные части материала преференциально вытравлены, пока зерна сами не вытравлены или вытравлены очень слегка, см. диаграмму 7. В нержавеющей стали, высыпание карбидов хромия или межметаллических участков может причинить межкристаллитную корозию. Из-за высокого содержания углерода в нержавеющей стали в прошлом (0,05-0,15%) эта коррозия потенциально опасна. Использование AOD (аргоновая кислородная рафинировочная печь) в процессе производства современной нержавеющей стали снижает содержание углерода, поэтому межкристаллитная коррозия редко является проблемой сегодня.

Гальваническая коррозия
Гальваническая коррозия-это электрохимическая коррозия, вызванная двумя различными металлами, находящимися в контакте друг с другом в электролите. Как правило, более активный металл (анод) будет более сильно корродировать, в то время как инертный металл (катод) защищен. Эта гальваническая коррозия, как правило, чаще всего происходит вблизи соединения двух металлов.
Пока нержавеющие стали остаются в своем пассивном состоянии, они будут более благородными, чем другие металлические материалы в большинстве сред, и поэтому будут катодом в большинстве гальванических пар. С другой стороны, резистивное соединение с нержавеющей сталью может увеличить скорость коррозии недрагоценных металлов, таких как высокоуглеродистая сталь, оцинкованная сталь, медь и латунь. Гальваническая коррозия между различными марками нержавеющей стали обычно не является проблемой, при условии, что каждая нержавеющая сталь пассивируется в конкретной среде.