1.4. Способы выражения скорости коррозии

Количественную оценку течения коррозионных процессов характеризуют коррозионные потери и скорость коррозии. Коррозионные потери определяются как отношение потери массы к площади прокорродировавшей поверхности. Скорость коррозии определяется изменением некоторого свойства или признака стальной конструкции за время протекания процесса коррозии. Как коррозионные потери, так и скорость коррозии, как правило, зависят от времени. Из-за разнообразия типов коррозионных разрушений невозможно установить единую для всех случаев меру скорости коррозии. В случае сплошной коррозии, когда опасны общие потери металла, ее оценивают по массовому показателю, т.е. по потере массы металла, отнесенной к единице поверхности и единице времени, например: г/см²  ч или г/м²  год. Если опасность представляет сквозная коррозия, то ее скорость оценивают по глубинному показателю, т.е. по глубине проникновения коррозионного разрушения, выраженному в линейных единицах и отнесенному к единице времени, например, мм/год.

Кроме массовых (гравиметрических) способов измерения потерь металла при оценке скорости коррозии нередко прибегают к объемным (волюмо-метрическим) способам. Это возможно в тех случаях, когда окисление металла сопровождается расходом или выделением газа. Так, при атмосферной коррозии расходуется кислород, а при кислотной выделяется водород. Объем израсходованного кислорода или выделившегося водорода пропорционален массе окислившегося металла. Измерение объема менее точно, чем взвешивание, но при массовом определении скорости коррозии необходимо прерывать испытание, удалять продукты коррозии и лишь после этого определять уменьшение массы образца. Поэтому найденная скорость коррозии представляет собой некоторую усредненную величину за период испытания. При этом предполагается, что скорость процесса не изменялась в течение опыта, что не всегда справедливо. За изменением объема газа в некоторой замкнутой системе можно следить, не прерывая испытания, что дает более содержательную информацию о кинетике процесса коррозии. Массовую потерю металла (г) при атмосферной и кислотной коррозии вычисляют по формуле:

, (1.4.1)

где М - массовая потеря металла; - постоянный коэффициент, равный 4 при коррозии с кислородной деполяризацией и равный 2 при коррозии с водородной деполяризацией; V - объем израсходованного кислорода или выделившегося водорода; А - атомная масса железа; V_моль - молярные объемы кислорода или водорода в условиях опыта; z - валентность железа в продуктах коррозии.

Массовый показатель скорости коррозии К_m при этом определяется выражением:

, (1.4.2)

где S - площадь поверхности корродирующего металла;

t - продолжительность коррозионных испытаний.

Поверхность твердого тела имеет всегда сложный микрорельеф. Обычное измерение поверхности при помощи линейки дает величину S_o, всегда меньшую истинной поверхности S, на которой протекает коррозионный процесс:

, (1.4.3)

где - коэффициент (фактор) шероховатости.

Экспериментальное определение или связано с большими трудностями. Поэтому при расчете скорости коррозии обычно используют кажущуюся величину поверхности . Изменением микрорельефа, происходящем в процессе коррозионных испытаний, пренебрегают. Это вносит, конечно, некоторую неточность в полученную величину скорости коррозии.

При гравиметрическом (весовом) методе число прореагировавших частиц почти всегда заменяют весом окислившегося железа. Потерю массы железа определяют по разности масс образца до и после коррозионного испытания, т.е. М = М₁ – М₂, где М₁ и М₂ - масса образца соответственно до и после коррозионного испытания и очистки образцов от продуктов коррозии.

При электрохимической коррозии между скоростью коррозии, определенной по изменению массы, и силой тока коррозии существует следующая зависимость, полученная из закона Фарадея:

, (1.4.4)

где - плотность тока коррозии; = 96487 Кл/моль - постоянная Фарадея.

Объемный показатель коррозии - объем поглощенного (выделенного) в ходе коррозионного процесса газа, отнесенный к единице поверхности металла и единице времени:

, (1.4.5)

Глубинный показатель коррозии определяется по максимальной глубине каверны или питтинга, отнесенных к единице времени (мм/год). Переход от массового показателя коррозии, выражаемого в (г/м² ч) или в (мг/дм²ч) к глубинному показателю, выражаемому в (мм/год) может быть осуществлен в случае равномерной коррозии по формуле:

, (1.4.6)

где - плотность корродирующего металла.

Из приведенного соотношения (1.4.6) следует, что скорость проникновения коррозии в глубь стального сооружения, равная 1 мм/год, соответствует потере массы: 0,89 г/м²ч. При этом, при определении коррозионных потерь можно принять, что 1 г/м²ч 0,72 мг/м²мес 2,4 мг/дм² сут.

Указанные показатели коррозии могут быть использованы для определения скорости коррозии стальных сооружения только при равномерном характере коррозии. Для оценки скорости местного коррозионного разрушения используют особые показатели. Например, точечную коррозию можно количественно характеризовать по максимальной глубине проникновения питтингов, определяемой любыми, например оптическими, методами. Степень межкристаллитной коррозии, как правило, определяют по относительному изменению механических (прочностных) или физических (электропроводность) характеристик металла за время коррозионных испытаний.

Глубинный показатель коррозии удобен при сравнении коррозионной стойкости различных металлов. В системе трубопроводного транспорта нефти и газа принята десятибалльная шкала коррозионной стойкости металлов (табл. 1.4.1).

Таблица 1.4.1

Десятибалльная шкала коррозионной стойкости металлов

Группа стойкости металлов	Скорость коррозии, мм/год	Балл
Совершенно стойкие	<0,001	1
Весьма стойкие	0,001 – 0,005	2
Стойкие	0,005 – 0,01	3
	0,01 – 0,05	4
	0,05 – 0,1	5
Понижено-стойкие	0,1 – 0,5	6
	0,5 – 1,0	7
Малостойкие	1,0 – 5,0	8
	5,0 – 10,0	9
Нестойкие	> 1,0	10

Механический показатель скорости коррозии - изменение одного из основных показателей механических свойств металла (например, прочности) за время коррозионных испытаний :

, [Па/год], (1.4.7)

где и - предел прочности металла соответственно до и после начала коррозионных испытаний.

Этот показатель часто выражают в процентах по отношению к прочности исходного материала:

, [%/год] (1.4.8)

Электрический показатель коррозии - изменение электрического сопротивления металла сооружения за время коррозионного испытания:

[Ом/год] (1.4.9)

или

, [% год], (1.4.10)

где и - электрическое сопротивление металла до и после коррозионных испытаний.

Скорость коррозии в значительной степени зависит от совместного действия всех факторов, влияющих на течение коррозионного процесса. Изменение состава окружающей среды может замедлить или ускорить коррозию. Так, ионы в ряде случаев увеличивают скорость коррозии, так как при наличии ионов хлора образуется растворимая соль , которая, в отличии от гидроокиси не образует на корродирующей поверхности защитной пленки. В том же направлении действуют и ионы металлов с переменной валентностью: (Fe²⁺ = Fe³⁺ + e). Другие вещества (ингибиторы) замедляют процесс коррозии. Температура окружающей среды (грунта) также способствует изменению скорости коррозии, которая увеличивается с ростом температуры и наоборот. Отсюда следует, что при прокладке трубопроводов в мерзлых грунтах скорость коррозии невелика, но она резко увеличивается при их оттаивании.

Применение указанных методов оценки скорости коррозии иногда затруднительно. Например, для массового показателя необходимо знать валентность металла z. Но в продуктах коррозии (при протекании ее в воде или атмосфере) одновременно содержатся ионы двух- и трехвалентного железа, как правило, в разных соотношениях. Подобные же сложности возникают и при определении прочности металла, его электрического сопротивления и т.д. Однако эти методы нашли широкое применение в практике эксплуатации объектов трубопроводного транспорта и при проведении коррозионных исследований.