КОРРО́ЗИЯ

КОРРО́ЗИЯ (от лат. corrosio – разъ­е­да­ние), фи­зи­ко-хи­мич. про­цесс взаи­мо­дей­ст­вия ма­те­риа­лов с ок­ру­жаю­щей сре­дой, в ре­зуль­та­те ко­то­ро­го про­ис­хо­дит ухуд­ше­ние их экс­плуа­та­ци­он­ных ха­рак­те­ри­стик. Под ма­те­риа­ла­ми в пер­вую оче­редь под­ра­зу­ме­ва­ют­ся ме­тал­лы и спла­вы, ко­то­рые при­ме­ня­ют­ся в ка­че­ст­ве кон­ст­рук­ци­он­ных ма­те­риа­лов или вхо­дят в со­став та­ких ма­те­риа­лов. К. кон­ст­рук­ци­он­но­го ма­те­риа­ла и/или из­де­лий из не­го при­во­дит не толь­ко к пря­мым, но и час­то к су­ще­ст­вен­но бóльшим кос­вен­ным эко­но­мич. по­те­рям (ава­ри­ям на тру­бо­про­во­дах, раз­ру­ше­ни­ям жел.-бе­тон. кон­ст­рук­ций, под­зем­ных со­ору­же­ний и т. д.). Эко­но­мич. оцен­ки по­ка­зы­ва­ют, что по­те­ри от К. в про­мыш­лен­но раз­ви­тых стра­нах срав­ни­мы и да­же пре­вы­ша­ют вло­же­ния в раз­ви­тие круп­ных от­рас­лей про­из­вод­ст­ва.

С точ­ки зре­ния тер­мо­ди­на­ми­ки, К. пред­став­ля­ет со­бой са­мо­про­из­воль­ный про­цесс, в ре­зуль­та­те ко­то­ро­го умень­ша­ет­ся сво­бод­ная энер­гия Гиб­бса сис­те­мы ме­талл – ок­ру­жаю­щая сре­да. Обыч­но этот про­цесс при­во­дит к окис­ле­нию ме­тал­ла, т. е. об­ра­зо­ва­нию его ок­сид­ных со­еди­не­ний или пе­ре­хо­ду ме­тал­ла в ви­де ио­нов в кон­так­ти­рую­щий с ним рас­твор. Прак­тич. ис­поль­зо­ва­ние кон­ст­рук­ци­он­но­го ма­те­риа­ла ба­зи­ру­ет­ся на оп­ре­де­лён­ном со­от­но­ше­нии ме­ж­ду тер­мо­ди­на­мич. не­ста­биль­но­стью сис­те­мы ме­талл – ок­ру­жаю­щая сре­да и ско­ро­стью про­цес­са их взаи­мо­дей­ст­вия. Под­дер­жа­ние это­го со­от­но­ше­ния на при­ем­ле­мом уров­не осу­ще­ст­в­ля­ет­ся с по­мо­щью ком­плек­са мер, на­прав­лен­ных на сни­же­ние ско­ро­сти кор­ро­зи­он­но­го про­цес­са (см. в ст. За­щи­та от кор­ро­зии).

Раз­ра­бо­та­но неск. об­щих пред­став­ле­ний о ме­ха­низ­ме кор­ро­зи­он­ных про­цес­сов. При кон­так­те ме­тал­лов с су­хи­ми окис­лит. га­зо­вы­ми сре­да­ми при по­вы­шен­ных темп-рах про­те­ка­ет окис­ли­тель­но-вос­ста­но­вит. ре­ак­ция взаи­мо­дей­ст­вия ме­тал­ла с га­зо­вой сре­дой или её ком­понен­та­ми – га­зо­вая К. Напр., же­ле­зо взаи­мо­дей­ст­ву­ет с ки­сло­ро­дом воз­ду­ха по ре­ак­ции $\ce{3Fe + 2O2=Fe3O4}$, в ре­зуль­та­те ко­то­рой ме­талл окис­ля­ет­ся, а ки­сло­род вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся. В ус­ло­ви­ях га­зо­вой К. на по­верх­но­сти боль­шин­ст­ва кон­ст­рук­ци­он­ных ма­те­риа­лов фор­ми­ру­ют­ся про­ме­жу­точ­ные слои, со­стоя­щие из про­дук­тов взаи­мо­дей­ст­вия ме­тал­ла и ком­по­нен­тов сре­ды (ти­па ока­ли­ны). Эти слои – в за­ви­си­мо­сти от их ме­ха­нич. и фи­зи­ко-хи­мич. свойств (плот­но­сти, сплош­но­го или ост­ров­ко­во­го ха­рак­те­ра, ве­ли­чи­ны ко­эф­фи­ци­ен­тов диф­фу­зии ио­нов ме­тал­ла и ки­сло­ро­да в этих сло­ях и т. д.) – ли­бо ма­ло влия­ют, ли­бо зна­чи­тель­но за­мед­ля­ют про­цесс даль­ней­ше­го взаи­мо­дей­ст­вия ме­тал­ла со сре­дой.

Су­ще­ст­вен­но иной ме­ха­низм К. реа­ли­зу­ет­ся в бо­лее рас­про­стра­нён­ных слу­ча­ях кон­так­та ме­тал­лов с элек­тро­ли­та­ми: со­ле­вы­ми вод­ны­ми рас­тво­ра­ми, рас­тво­ра­ми на ос­но­ве не­вод­ных рас­тво­ри­те­лей, по­верх­но­ст­ны­ми плён­ка­ми вла­ги, рас­пла­ва­ми со­лей, твёр­ды­ми элек­тро­ли­та­ми, с разл. по­рис­ты­ми струк­ту­ра­ми, про­пи­тан­ны­ми рас­тво­ра­ми элек­тро­ли­тов (поч­ва­ми, бе­то­на­ми, рых­лы­ми от­ло­же­ния­ми на ме­тал­лах и т. д.), а так­же др. сре­да­ми, об­ла­даю­щи­ми ион­ной про­во­ди­мо­стью. Осн. осо­бен­но­стью кор­ро­зи­он­но­го про­цес­са, про­те­каю­ще­го на гра­ни­це ме­талл – элек­тро­лит, яв­ля­ет­ся то, что ре­ак­ция окис­ле­ния ме­тал­ла и ре­ак­ция вос­ста­нов­ле­ния окис­ли­те­ля мо­гут быть про­стран­ст­вен­но раз­де­ле­ны. В этом слу­чае реа­ли­зу­ет­ся т. н. элек­тро­хи­мич. ме­ха­низм К., при ко­то­ром атом ме­тал­ла ($М$) и час­ти­ца окис­ли­те­ля ($Ох$) об­ме­ни­ва­ют­ся элек­тро­на­ми ($e$) не не­по­сред­ст­вен­но в од­ном ак­те, а че­рез ме­тал­лич. фа­зу, об­ла­даю­щую вы­со­кой элек­трон­ной про­во­ди­мо­стью. Про­цесс элек­тро­хи­мич. К. мож­но пред­ста­вить в ви­де двух со­пря­жён­ных элек­тро­хи­мич. ре­ак­ций: $М-n_1e=М^{n_1+}$, $Ох+n_2e=\text{Red}$, где $\text {Red}$ – вос­ста­нов­лен­ная фор­ма окис­ли­те­ля. В ка­че­ст­ве окис­ли­те­лей ча­ще все­го вы­сту­па­ют ио­ны во­до­ро­да (в ки­слой сре­де) и рас­тво­рён­ный в элек­тро­ли­те ки­сло­род. Окис­ли­те­ля­ми мо­гут быть так­же ио­ны, со­дер­жа­щие ме­тал­лы в вы­со­кой сте­пе­ни окис­ле­ния (напр., хро­мат-ио­ны), нит­рат-, пер­хло­рат-ио­ны, др. хи­мич. со­еди­не­ния. По­сколь­ку ка­ж­дой из при­ве­дён­ных ре­ак­ций от­ве­ча­ет своя за­ви­си­мость ско­ро­сти от элек­трод­но­го по­тен­циа­ла, ра­вен­ст­ву ско­ро­стей со­пря­жён­ных ре­ак­ций бу­дет от­ве­чать оп­ре­де­лён­ное зна­че­ние элек­трод­но­го по­тен­циа­ла. Ес­ли элек­тро­про­вод­ность элек­тро­ли­та дос­та­точ­но вы­со­ка, то на ме­тал­ле ус­та­нав­ли­ва­ет­ся оди­на­ко­вый по всей по­верх­но­сти по­тен­ци­ал (эк­ви­по­тен­ци­аль­ная по­верх­ность), ко­то­рый на­зы­ва­ют ста­цио­нар­ным по­тен­циа­лом, или по­тен­циа­лом кор­ро­зии, $E_с$. Плот­ность то­ка окис­ле­ния ме­тал­ла при $E_с$ на­зы­вает­ся ско­ро­стью кор­ро­зии $i_с$. Ско­рость кор­ро­зии вы­ра­жа­ет­ся в еди­ни­цах из­ме­ре­ния элек­трич. ве­ли­чин А/м², а так­же в эк­ви­ва­лент­ных им еди­ни­цах умень­шения мас­сы или тол­щи­ны слоя ме­тал­ла в еди­ни­цу вре­ме­ни, напр. в г/(см²·с) или мм/год со­от­вет­ст­вен­но. Кро­ме про­сто­го элек­тро­хи­мич. ме­ха­низ­ма, пред­став­лен­но­го урав­не­ния­ми со­пря­жён­ных ре­ак­ций, из­вест­ны и бо­лее слож­ные ме­ха­низ­мы про­те­ка­ния кор­ро­зи­он­ных про­цес­сов, ко­то­рые вклю­ча­ют ка­та­ли­тич. и хи­мич. ста­дии.

Для оп­ре­де­ле­ния ско­ро­сти К. ме­тал­лов в кон­крет­ных ус­ло­ви­ях, оцен­ки эф­фек­тив­но­сти разл. средств за­щи­ты, вы­яс­не­ния со­ста­ва и свойств про­дук­тов К. при­ме­ня­ет­ся ряд ме­то­дов кор­ро­зи­он­ных ис­пы­та­ний. Ве­со­вые ме­то­ды по­зво­ля­ют из­ме­рить из­ме­не­ние мас­сы ме­тал­лич. об­раз­ца за фик­си­ров. вре­мя его кон­так­та с кор­ро­зи­он­но-ак­тив­ной сре­дой (в слу­чае га­зо­вой К. в этих ус­ло­ви­ях фик­си­ру­ет­ся уве­ли­че­ние, а при кон­так­те с элек­тро­ли­том – умень­ше­ние мас­сы об­раз­ца). Для экс­пресс­ных оце­нок ско­ро­сти К. наи­бо­лее эф­фек­тив­ны­ми яв­ля­ют­ся элек­тро­хи­мич. ме­то­ды, та­кие как ме­тод по­ля­ри­за­ци­он­ных кри­вых, им­пульс­ные ме­то­ды и ме­то­ды, ос­но­ван­ные на ис­поль­зо­ва­нии пе­ре­мен­но­го то­ка (им­пе­данс­ные). Ука­зан­ные ме­то­ды обыч­но при­ме­ня­ют­ся для оп­ре­де­ле­ния ско­ро­сти кор­ро­зи­он­ных про­цес­сов в сис­те­мах, ко­то­рые мо­де­ли­ру­ют ре­аль­ные ус­ло­вия экс­плуа­та­ции кон­крет­ных кон­ст­рук­ци­он­ных ма­те­риа­лов (темп-ру, ат­мо­сфер­ную влаж­ность, кон­цен­тра­цию ки­сло­ро­да в га­зо­вой фа­зе, со­став элек­тро­ли­та, ско­рость его дви­же­ния от­но­си­тель­но ис­сле­дуе­мо­го об­раз­ца, де­фор­ма­цию кон­так­ти­рую­ще­го с элек­тро­ли­том об­раз­ца при по­сто­ян­ной или пе­рио­дич. на­груз­ке и т. д.). Пе­ре­чис­лен­ные ме­то­ды по­зво­ля­ют оха­рак­те­ри­зо­вать об­щую (рав­но­мер­ную) К., т. е. пред­по­ла­га­ют, что окис­ле­ние или рас­тво­ре­ние ме­тал­ла про­ис­хо­дит рав­но­мер­но по всей кон­так­ти­рую­щей со сре­дой по­верх­но­сти.

В ре­аль­ных ус­ло­ви­ях рав­но­мер­ная К. реа­ли­зу­ет­ся ред­ко. Обыч­но из-за ге­те­ро­ген­но­сти ме­тал­лич. по­верх­но­сти, а так­же раз­ли­чий в ус­ло­ви­ях под­во­да окис­ли­те­ля и от­во­да про­дук­тов взаи­мо­дей­ст­вия ме­тал­ла со сре­дой К. наи­бо­лее ин­тен­сив­на на отд. не­боль­ших уча­ст­ках по­верх­но­сти. В этом слу­чае го­во­рят о ло­каль­ных ви­дах К. В ус­ло­ви­ях ло­каль­ной К. прак­ти­че­ски не­зна­чи­тель­ные (в пе­ре­счё­те на всю по­верх­ность) сум­мар­ные кор­ро­зи­он­ные по­те­ри ме­тал­ла час­то при­во­дят к воз­ник­но­ве­нию в нём тре­щин, по­яв­ле­нию сквоз­ной пер­фо­ра­ции, зна­чит. сни­же­нию проч­но­сти, в ре­зуль­та­те че­го рез­ко ухуд­ша­ют­ся экс­плуа­та­ци­он­ные ха­рак­те­ри­сти­ки ма­те­риа­ла. След­ст­ви­ем ло­каль­ной К. мо­жет быть вы­ход из строя слож­ных ме­тал­ло­кон­ст­рук­ций, важ­ной и до­ро­го­стоя­щей ап­па­ра­ту­ры. К ло­каль­ным ви­дам К. от­но­сят­ся пит­тин­го­вая, меж­кри­стал­лит­ная, ще­ле­вая, яз­вен­ная К. и др. Ло­каль­ная К. на­блю­да­ет­ся так­же при се­лек­тив­ном вы­трав­ли­ва­нии отд. ком­по­нен­тов спла­вов. Под­вер­жен­ность ме­тал­лов разл. ви­дам ло­каль­ной К. оп­ре­де­ля­ет­ся их со­ста­вом и струк­ту­рой, со­ста­вом кон­так­ти­рую­щей сре­ды, ус­ло­вия­ми экс­плуа­та­ции. Так, же­ле­зо, ни­кель, цинк, не­ржа­вею­щие ста­ли, алю­ми­ние­вые и ряд др. кон­ст­рук­ци­он­ных спла­вов под­вер­же­ны пит­тин­го­вой К. при кон­так­те с рас­тво­ра­ми, со­дер­жа­щи­ми хло­рид-, бро­мид- или ио­дид-ио­ны. Ха­рак­тер­ным для не­ко­то­рых ма­те­риа­лов ви­дом К. (осо­бен­но для спла­вов на ос­но­ве же­ле­за) яв­ля­ет­ся се­ро­во­до­род­ное ох­руп­чи­ва­ние, ко­то­рое обыч­но воз­ни­ка­ет при кон­так­те ме­тал­лов со сре­да­ми, со­дер­жа­щи­ми се­ро­во­до­род, и при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию тре­щин. Этот вид К. пред­став­ля­ет осо­бую опас­ность для неф­те- и га­зо­про­вод­но­го транс­пор­та.

Тео­ре­тич. ас­пек­ты изу­че­ния кор­ро­зи­он­ных про­цес­сов, раз­ра­бот­ка ме­то­дов кор­ро­зи­он­ных ис­пы­та­ний и мер за­щи­ты от К. со­став­ля­ют ос­но­ву нау­ки о К. Сре­ди осн. на­прав­ле­ний нау­ки о К. мож­но вы­де­лить ра­бо­ты фун­дам. ха­рак­те­ра, ис­сле­до­ва­ния К. в при­род­ных ус­ло­ви­ях (ат­мо­сфер­ной, под­зем­ной, мор­ской К.), в разл. тех­нич. сре­дах (в вод­ных рас­тво­рах без до­ба­вок или с до­бав­ка­ми окис­ли­те­лей, в не­вод­ных рас­тво­рах, в со­ле­вых рас­пла­вах, в разл. тех­нич. жид­ко­стях – мас­лах, смаз­ках, сточ­ных во­дах и др.), в ус­ло­ви­ях те­п­ло­пе­ре­да­чи, блу­ж­даю­щих то­ков и др. Очень важ­ным на­прав­ле­ни­ем яв­ля­ет­ся ис­сле­до­ва­ние ме­ха­низ­мов раз­ру­ше­ний, про­ис­хо­дя­щих при од­но­вре­мен­ном дей­ст­вии ок­ру­жаю­щей сре­ды и ме­ха­нич. на­пря­же­ний (кор­ро­зи­он­но­го рас­трес­ки­ва­ния, кор­ро­зи­он­ной ус­та­ло­сти, во­до­род­но­го ох­руп­чи­ва­ния, эро­зи­он­ной К.). Ре­зуль­та­ты этих ис­сле­до­ва­ний сви­де­тель­ст­ву­ют о не­ад­ди­тив­ном влия­нии аг­рес­сив­ной сре­ды и ме­ха­нич. воз­дей­ст­вий на раз­ру­ше­ние ма­те­риа­лов.