Коррозионная безопасность промышленных конструкций из нержавеющих сталей

Более 100 лет назад, благодаря открытиям американских и английских инженеров-металлургов в жизнь человечества вошли чудесные всегда блестящие стали, которые не покрываются ржавчиной на воздухе, могут безопасно контактировать с водой, и даже агрессивные химические вещества, в частности кислоты, не нарушают их приятного блеска и целостности изготовленных из них изделий. В российской практике за такими сталями закрепилось название - нержавеющие (нержавейки). На заре своего применения нержавеющие стали в основном использовались для изготовления кухонных принадлежностей, однако потом начали активно применяться и в промышленности. В настоящее время уже накоплен большой опыт их использования, позволяющий не только восхищаться их уникальными свойствами, но и подметить некоторые ограничения в их применении, о которых в основном мы сейчас и поговорим.

Но начать нужно с объяснения природы уникальных противокоррозионных свойств нержавейки. Эти свойства любой нержавеющей стали (а их довольно много типов) определяются наличием в ее составе хрома, который при взаимодействии с внешней средой, содержащей агрессивное вещество (например, кислород), окисляется, образуя на поверхности стали защитную пассивную пленку оксида хрома, препятствующую дальнейшему коррозионному разрушению изделия. Это явление называется пассивацией нержавеющей стали. Наименьшее содержание хрома, обеспечивающее нержавеющим сталям возможность пассивации, составляет 12%.

Коррозионная стойкость нержавеющих сталей определяется устойчивостью пассивной пленки и зависит от природы агрессивной среды. С увеличением содержания хрома коррозионная стойкость нержавеющих сталей в окислительных условиях резко возрастает. Никель также способствует пассивации нержавеющих сталей, но в значительно меньшей степени. Дополнительно нержавеющие стали могут легироваться молибденом, медью, титаном, ниобием и др. элементами. Резко отрицательное влияние на коррозионную стойкость нержавеющих сталей оказывает увеличение содержания углерода. Для нержавейки российского производства состав стали зашифрован в ее названии, что регулируется ГОСТ 5632-72. Каждый легирующий элемент в нержавеющей стали обозначается буквенным кодом (например: хром - Х, никель - Н, молибден - М), а следующие за буквой цифры определяют содержание этого элемента в процентах. Типичное российское название - 03Х17Н14М3. В европейской практике и американской применяются коды в соответствии с системами стандартизации EN, ASME, ASTM и др.

Несмотря на описанные выше коррозионно-стойкие свойства нержавеющая сталь подвержена быстрому коррозионному разрушению в определенных условиях. Рассмотрим эти условия.

Поверхностная коррозия вследствие загрязнения железом

Если изделие из нержавеющей стали в процессе изготовления, транспортировки или эксплуатации вступает в прямой контакт с углеродистой сталью, то впоследствии на поверхности нержавеющей стали образуется тонкий слой бурой ржавчины. Лучшее средство предупреждения коррозии данного типа - это исключить контакты нержавеющей и углеродистой сталей: не приваривать углеродистую сталь к нержавеющей стали; всегда использовать для очистки щетки из исключительно нержавеющей стали и т.д.

Данный вид коррозии не ведет к нарушению целостности изделия из нержавеющей стали, а только портит его внешний вид.

Питтинговая (точечная) коррозия

Питтинговая коррозия - это вид крайне узко локализованной коррозии, приводящей к образованию небольших отверстий в металле. Данный вид коррозии невозможен в атмосфере и имеет место только при контакте изделия из нержавеющей стали с жидким или почвенным электролитом. Зарождение питтинга происходит в местах дефектов защитной пассивной пленки (царапины, разрывы) или ее слабых местах (если имеет место неоднородность сплава, например на сварных швах). Процесс зарождения питтинга более вероятен при недостаточном доступе кислорода к поверхности изделия, что не дает возможность возобновлять пассивную защитную пленку на поверхности металла при ее разрушении.

Стойкость нержавеющих сталей к питтинговой коррозии оценивается числовым показателем - PREN, который задает уровень потенциальной коррозионной устойчивости. Чем выше значение показателя PREN, тем выше устойчивость к точечной коррозии. Разброс значений данного показателя для существующих марок нержавеющих сталей составляет от 15 до 45 единиц.

Данный вид коррозии может привести к образованию сквозных дефектов и нарушению целостности изделия.

Щелевая коррозия

Щелевая коррозия происходит в узких зазорах между металлами (например, между болтом и гайкой) или между металлом и неметаллическим материалом (например, прокладкой) в случае попадания в них электролита. По механизму и результату аналогична питтинговой коррозии, однако скорость роста дефекта может быть выше за счет уменьшения доступа кислорода в щели. Может иметь место в трещинах в металле, зародившихся в результате коррозии под напряжением (см. ниже).

Данный вид коррозии может привести к образованию сквозных дефектов и нарушению целостности изделия.

Межкристаллитная коррозия

В результате межкристаллитной коррозии избирательно разрушаются границы зерен в структуре стали. Это происходит из-за различий в концентрации элементов нержавеющей стали в самом зерне и на его границе, например с обеднением границ зерен хромом или обогащением их углеродом с последующим образованием примесей (карбидов хрома).

Межкристаллитная коррозия - очень опасный вид разрушения, т.к. визуально ее не всегда можно определить. Металл теряет свою пластичность и прочность, критически снижается ударная вязкость, что может привести к хрупкому разрушению конструкции под действием внешних напряжений.

Коррозия под напряжением

Коррозионному растрескиванию подвергаются металлические изделия и конструкции, в которых после механической или термической обработки присутствуют остаточные напряжения. Встречается коррозионное растрескивание при сварке, сборке или монтаже металлических деталей и т.п. Большое влияние на интенсивность коррозионного растрескивания оказывает коррозионная среда (ее характер, состав и концентрация агрессивных агентов). В результате коррозионного разрушения в металле образуются разветвленные колонии транскристаллитных и межкристаллитных трещин.

Хромоникелевые аустенитные стали более подвержены коррозионному растрескиванию. Введение стабилизаторов, легирующих компонентов, увеличение содержания никеля  не оказывает существенного воздействия на склонность аустенитных сталей к коррозионному воздействию.

Коррозионное растрескивание - очень опасный вид разрушения изделия, так как может приводить к мгновенному образованию сквозных дефектов большой площади, и значит, к быстрому разливу всего содержимого емкости.

Блуждающие токи

Блуждающими называются электрические токи в земле, возникающие за счет утечек из рельсов электрифицированных железных дорог, работающих на постоянном токе и использующих рельсы в качестве обратного провода. Источниками блуждающих токов могут быть также различные установки постоянного тока (телеграф, электросварочные аппараты, системы катодной защиты и пр.), использующие в качестве обратного провода землю. Известно, что электрическая проводимость металлов во много раз больше проводимости почв и грунтов. Поэтому любое подземное металлическое сооружение, в данном случае, подземные емкости, находясь в зоне распространения блуждающих токов, привлекает на себя эти токи, передает их как проводник более низкого омического сопротивления и возвращает их через землю к источнику постоянного тока.

При этом та часть металлического сооружении, из которой ток выходит в землю, является анодом, а та часть сооружения, где постоянный ток входит в него, является катодом. В анодных зонах при условии контакта сооружения с влажной почвой блуждающие токи вызывают электролиз и причиняют сооружению чрезвычайно большие коррозионные разрушения. Специфические защитные свойства нержавеющей стали никак не препятствуют данному виду коррозии.

Так как же тогда обеспечить надлежащее коррозионное состояние изделий из нержавеющей стали? Обратимся к нормативным документам Российской Федерации по коррозионной безопасности. Какие требования к конструкциям из нержавеющей стали в них присутствуют?

1  ГОСТ 9.602-2005 Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии

Устанавливает общие требования к защите от коррозии наружной поверхности подземных металлических сооружений из углеродистых и низколегированных сталей. На изделия и конструкции, в том числе подземные, из нержавеющей стали не распространяется.

2  СП 28.13330.2012 Защита строительных конструкций от коррозии

Содержит общие рекомендации о необходимости первичной (выбор конструктивных решений, снижающих агрессивное воздействие, и материалов, стойких в среде эксплуатации), вторичной и специальной противокоррозионной защиты. С точки зрения применения изделий и конструкций из нержавеющей или коррозионностойкой стали содержит несколько разрозненных требований, которые нужно искать по всему документу. Например, нержавеющая сталь предлагается в качестве конструкционного материала при наличии газовой коррозии.

Таким образом, подробные правила применения изделий (конструкций) из нержавеющей стали в различных внешних условиях в современной нормативной документации отсутствуют.

Качественное применение нержавеющих сталей в основном зависит от квалификации конструктора, проектировщика или строителя самого объекта. В таких условиях хотелось бы обратить внимание коллег на несколько достаточно простых правил, которые могут помочь принять правильное решение в простых случаях.

1. При применении нержавеющей стали в атмосферных условиях обязательно тщательно выбирайте марку (состав) самой стали. Коррозионная агрессивность атмосферы зависит от многих факторов (подробнее см. здесь). Особенно может быть опасен морской воздух и воздух, загрязненный промышленными выбросами. В таких условиях хорошая, но не специальная, нержавеющая сталь может в лучшем случае покрыться неэстетичными ржавыми пятнами.
2. Так же осторожность нужно соблюдать при хранении в емкостях из нержавеющих сталей коррозионно-опасных жидких продуктов. Не каждая нержавейка способна противостоять кислотам или морской воде. В данном случае, дополнительно, особое внимание следует уделить качеству изготовления сварных швов на изделии. Именно в некачественных сварных швах нарушается то магическое соотношение железа и легирующих элементов, позволяющее нержавеющей стали противостоять коррозии. И именно сварные швы первыми дают течь, причем в некоторых случаях счет до времени возникновения первых сквозных повреждений идет на дни.
3. Подземная (подводная) эксплуатация изделий и сооружений из нержавеющей стали без дополнительных мер противокоррозионной защиты крайне нежелательна и может быть допущена только в исключительных случаях. Например, попытка строительства подземных трубопроводов из нержавеющих сталей в СССР обернулась их быстрым разрушением вследствие питтинговой и межкристаллитной коррозии. В случае емкостей или других изделий (конструкций) с небольшой площадью поверхности и протяженностью (по сравнению с трубопроводами) необходимо тщательнейшим образом контролировать процесс установки и засыпки подземного сооружения из нержавеющей стали. Далее, крайне желательно оборудовать подземную конструкцию стационарным контрольно-измерительным пунктом для ежемесячного измерения электрохимического потенциала. В отдельных случаях изделия из нержавеющей стали могут обеспечиваться системой электрохимической (анодной) защиты и противокоррозионными неметаллическими покрытиями.
4. Повысить коррозионную стойкость любой нержавеющей стали, особенно на начальном этапе эксплуатации, можно с помощью принудительной пассивации (образования защитной пленки оксида хрома) в промышленных условиях с использованием химических окислителей, например растворов бихромата натрия. Правда, пассивацию нельзя делать бездумно. Нужно тщательно проанализировать будущие условия эксплуатации (а также транспортировки и хранения) изделия - может быть среда не такая уж агрессивная, да и доступ естественного окислителя достаточен. Также очень важно провести именно равномерную пассивацию, иначе места с недостаточной толщиной/отсутствием оксида хрома могут затем подвергнуться точечной коррозии.

Конечно, это самые простые закономерности. Для решения сложных задач необходимы комплексные лабораторные и полевые коррозионные исследования. Этим применение нержавеющей стали в разных условиях ничем не отличается от других процессов коррозионного разрушения и соответствующих мер противокоррозионной защиты. Коррозия очень многообразна и продумать все заранее невозможно.