Коррозия представляет собой естественный - электрохимический или химический - процесс распада исходной структуры металла, который возвращается в более стабильное, низкоэнергетическое состояние (в виде оксидов или гидроксидов) по итогам реакций с окружающей средой. Считается ли такой процесс дефектом или контролируемым (и, до некоторой степени, даже допустимым) состоянием, зависит от скорости коррозии, расположения проблемных зон и влияния на структурную целостность металла.
Производственников часто интересует также, любое ли ржавление стали опасно. Специалисты со стажем наверняка вспомнят производственные инструкции для цеховых технологов, занимавшихся толстолистовой горячей штамповкой деталей строительных, дорожных или сельскохозяйственных машин, написанные в 50-х и 60-х гг. прошлого века. Такие инструкции авторитетно утверждали, что, например, слой высокотемпературной окалины на поверхности заготовки (такая окалина, как известно, представляет собой закись-окись железа Fe3O4) благотворно сказывается на стойкости штампов, поскольку является своего рода твердой одноразовой смазкой.
Дефектная и бездефектная коррозия
Как и любой природный процесс, интенсивность коррозии увеличивается постепенно. Это затрудняет мониторинг данного явления (за исключением визуального осмотра внешних конструкций). Поэтому принято условное деление коррозии на дефектную, последствия которой становятся непосредственной причиной брака, и бездефектную.
Мерой численной оценки интенсивности коррозии практически во всех нормативных документах считается потеря массы или размеров (чаще) изделия в расчете на определенный срок эксплуатации. Для неподвижных элементов такой срок измеряется в годах, для подвижных – в технологических циклах.
Виды коррозии
Для того чтобы оценить интенсивность, требуется предварительно установить, к какому из видов коррозии относится явление, приводящее к браку. Известны:
- Коррозия от лунок: Небольшие, локализованные и глубокие полости или отверстия, которые могут привести к внезапному разрушению (например, в алюминии или нержавеющей стали). Такую коррозию часто сложнее обнаружить, чем обычную ржавчину.
- Коррозия трещин: интенсивная, локализованная атака, возникающая в застоях, узких пространствах (например, под болтами, прокладками), где количество кислорода ограничено.
- Стресс-коррозионное растрескивание: сочетание коррозии и растягивающих напряжений, приводящее к мелким трещинам, вызывающим неожиданное разрушение, казалось бы, прочных компонентов.
- Межгранулярная коррозия: атака вдоль границ зерен сплава, из-за чего материал теряет прочность и часто рассыпается.
- Микробно индуцированная коррозия: процесс окисления, ускоряемый бактериями (например, сульфаторедуцирующими бактериями); вызывает сильное и быстрое образование лунок в трубопроводах и резервуарах.
- Коррозия под изоляцией (например, под теплоизоляцией), часто приводящая к полному разрушению стенки строительного объекта.
Возникающие при этом дефекты непредсказуемы, быстры и значительно снижают структурные, механические или гидравлические свойства материала, делая металл небезопасным или непригодным к эксплуатации.
Вспомогательным показателем интенсивности коррозии считается ее повторяемость, поэтому иногда процессы классифицируют на неустойчивые и устойчивые. Оценка носит статистический характер.
Что считается «бездефектной» (или допустимой) коррозией
Коррозия не всегда является дефектом в юридическом или инженерном смысле. Это часто ожидаемое, управляемое или даже функциональное явление.
Ожидаемая равномерная коррозия используется тогда, когда инженер-конструктор предполагает некоторый уровень коррозии (например, 0,1 мм в год) и добавляет «допуск на коррозию» или дополнительную толщину в резервуар или трубу. Такая коррозия не является дефектом — она входит в запланированный безопасный жизненный цикл.
Кроме расчетных методов, в трибологии (науке об износе) используют:
- Защитную пассивацию/патину: некоторые металлы (медь, бронза) образуют стабильный непористый слой, который фактически предотвращает дальнейшие, более глубокие повреждения;
- Возможность применения алюминия: этот металл образует твёрдый, защитный, бесцветный слой оксида алюминия;
- Нержавеющую сталь, которая использует слой оксида хрома для устойчивости конструкции или детали к коррозии.
- Так называемую жертвенную защиту, когда более реактивный металл (цинк) намеренно корродирует, чтобы защитить менее реактивный металл (железо/сталь). Цинк расходуется (жертвуется), но конструкция снизу остаётся целой.
- Изменение цвета/потускнение поверхности: поверхностное потемнение или окрашивание потускнение поверхности (например, при окислении меди).Это не вызывает измеримых потерь материала, появления лунок или снижения прочности конструкции.
Почему это не дефекты: они либо предвосхищаются при проектировании, либо служат самозащитным механизмом, поддерживающим структурную целостность основного материала. Прогнозирование износа от коррозии в подобных ситуациях не выполняется.
Критерием отнесения коррозии к одному из указанных типов считается влияние одного или нескольких факторов, приводящих впоследствии к браку. Основные составляющие:
- Характер отказа: внезапный (при дефектной коррозии), контролируемый – при недефектной коррозии;
- Природа процесса: быстрая, локализованная, непредсказуемая или медленно и равномерно развивающаяся (иногда – даже с самоограничением);
- Наличие ударных нагрузок, которые – в случае дефектной коррозии - уменьшают толщину и прочность, вызывают протечки, либо (при недефектной коррозии) не влияют на прочность металла.
Соответственно, в первом случае брак вызывается резким изменением свойств окружающей среды или ошибками проектирования; фактор бездефектной коррозии учитывается еще на стадии разработки.
Таким образом, если коррозия активна, неконтролируема и опасна, это дефект. Если она контролируется или заблаговременно учитывается, процесс не является дефектом, и учету поэтому не подлежит.
Методы реализации управляемой и контролируемой коррозии
Контролируемая и управляемая коррозия предполагает упреждающее минимизацию потерь от брака за счет конструкции, покрытий, химических ингибиторов и катодной защиты, а не ожидания отказа. При этом мониторинг интегрируют с системами управления. Цели - управление рисками, продление срока службы изделий/конструкций, снижение затрат и обеспечение безопасности.
Ключевые элементы комплексной стратегии управляемой коррозии
Включают в себя:
- Выбор коррозионностойких материалов и проектирование, исключающее образование ловушек для жидкости, щелей и гальванической связи.
- Контроль окружающей среды: изменение окружающей среды (например, осушение, удаление кислорода) для снижения агрессивности.
- Применение защитных систем, например, барьерных, ингибирующих или защитных покрытий для изоляции металла от окружающей среды.
- Катодная защита: использование подаваемого тока или защитных анодов для предотвращения окисления.
- Ингибиторы: химические вещества, образующие на поверхностях защитные пленки для предотвращения коррозии.
Система управления коррозией должна быть системной и предусматривать два обязательных этапа:
- Осмотр и мониторинг: регулярный плановый осмотр (например, ультразвуковой контроль) для выявления ранней коррозии;
- Разработку оргмероприятий: определение обязанностей, ведение записей и установление четких и действенных технологий обслуживания объектов.
Правильно управляемая программа борьбы с коррозией, особенно в нефтегазовом или инфраструктурном секторах, выходит за рамки простого, разового технического обслуживания и переходит к подходу, основанному на оценке рисков.
Методы оценки риска дефектов, вызванных коррозией, включают сочетание методов, предназначенных для прогнозирования, обнаружения и количественной оценки деградации материалов, либо появления брака. Эти методы направлены на определение оставшейся прочности конструкций и вероятности ее разрушения.
Методы оценки коррозии
Применяют:
- Неразрушающий контроль, который позволяет выявлять внутренние дефекты без повреждения компонента.
- Ультразвуковое тестирование: измеряет толщину стенки для выявления локальных потерь металла, например, при появлении лунок или коррозии в трещинах.
- Утечка магнитного потока: используется» для обнаружения коррозии в трубопроводах.
- Радиографическое тестирование: использует рентгеновские или гамма-лучи для получения изображений внутренних/внешних повреждений от коррозии.
- Импульсные вихревые токи: позволяют оценить коррозию под утеплителем или огнеупорным материалом без его снятия.
- Визуальный осмотр и специализированное зондирование: прямое исследование поверхностной коррозии, иногда с использованием маломощного увеличения для выявления очагов коррозии.
- Картографирование процесса: автоматизированное, высокоразрешающее сканирование поверхности критически опасных объектов для обнаружения общей коррозии.
Инструменты для прямого и косвенного мониторинга:
- Жертвенные металлические полоски, размещённые в системе для прямого измерения потери веса и определения уровня коррозии;
- Электрические зонды сопротивления: измеряют изменение электрического сопротивления для получения (почти в режиме реального времени) данных о потерях металла;
- Электрохимические методы: линейное поляризационное сопротивление и электрохимический шум (используются для мгновенного измерения скоростей коррозии, особенно в проводящих средах);
- Мониторинг проникновения водорода: используется на нефтеперерабатывающих заводах для обнаружения водорода, который может вызывать хрупкость или трещины.
Результаты оценки рисков документируются и используются для управления коррозией. Современные системы предупреждения брака часто используют интеграцию данных IoT-датчиков, отчётов и исторических данных для прогнозирования темпов роста коррозии.
Допуски и припуски на коррозию, принятые в нормативных документах
В международной практике возможная потеря размеров изделий, работающих в тяжелых коррозионных условиях, принимается с учетом интенсивности износа и окружающей среды. Факторы коррозии (в зависимости от преобладающего типа коррозии) включены в инженерные стандарты. Используются два параметра: допуск на коррозию (потеря толщины материала) и припуск на коррозию (добавленный размер, учитывающий интенсивность коррозионного износа). Имеются ограничения по выбору материалов и экологическая категоризация окружающей среды (классы коррозионной активности).
ISO 12944-2-2018
Этот стандарт разработан для сосудов под давлением. Он гарантирует, что конструкции сохраняют структурную целостность на протяжении всего расчетного срока службы. Наиболее распространенный подход к сосудам под давлением и трубопроводам — добавление ликвидационной толщины к расчетной толщине изделия. Для углеродистых сталей допуск на коррозию принимается в пределах 1,6…3,2 мм (эксплуатация в неагрессивных условиях) или до 6,0 мм - при работе с сильно агрессивными средами.
Для съемных внутренних компонентов иногда применяется небольшой припуск (например, 1/2 или 1/4 от общего значения допуска), в то время как высоколегированные материалы или материалы из цветных металлов могут иметь даже нулевой коррозионный припуск.
ISO 12944-2 делит атмосферную среду на шесть категорий:
- C1/C2 (очень низкий/низкий): жаркая, сухая или неиндустриальная среда, отапливаемые здания с чистой атмосферой;
- C3/C4 (средний/высокий): промышленные зоны, прибрежные районы с умеренной соленостью;
- C5/CX (очень высокий/экстремальный): морская среда, районы с высокой соленостью, морские просторы или районы с высокой влажностью, промышленные зоны с экстремальной влажностью и агрессивной атмосферой.
Категории погружения (вода и почва):
- Im1: пресная вода (речные установки, гидроэлектростанции);
- Im2: морская или солоноватая вода (гавани, шлюзовые ворота);
- Im3: почва (закопанные резервуары, стальные сваи);
- Im4: погружённые сооружения с катодной защитой.
Эти категории учитывают потери массы стали, а не размеров материала, принятые за определенный период эксплуатации. Выбранная категория определяет необходимую систему покрытия, толщину и долговечность (срок службы до первого обслуживания).
Стандарт BS8002
Используется при проектировании стальных конструкций. Для расчета общей потери сечения в течение расчетного срока службы (например, 100 лет) используется скорость коррозии (например, 0,035 мм/год/сторона).
В этом стандарте четко определены допуски на первоначальную потерю материала, которая происходит до того, как на стали, подверженной атмосферным воздействиям, образуется защитная пленка. Стандарт рекомендует величины допусков на коррозионный износ, которые позволяют избежать накопления влаги и мусора, например, обеспечивают надлежащий дренаж.
Для технологических трубопроводов припуск на коррозию устанавливается как сумма коррозионных и эрозионных допусков, а также допусков на глубину резьбы/канавок.
Нормативный документ ASME B31.3
Здесь допуск на коррозию не является фиксированным обязательным значением, а является необходимым параметром, учитываемым при проектировании. Рассчитывается как сумма ожидаемой коррозии, эрозии и механических допусков (например, глубины резьбы).
Минимальная толщина стенки трубы определяется в зависимости от внутреннего давления прокачиваемой рабочей среды. Если труба имеет резьбу, глубина резьбы должна быть включена в припуск на коррозию.
Нормативный документ API 570
Разработан для находящихся в эксплуатации трубопроводов с целью мониторинга и расчета остаточного срока службы на основе толщины корродированной поверхности. Предусмотрен определенный порядок контроля:
- Эксплуатационный осмотр;
- Классификация коррозионного состояния;
- Ремонт/модернизация трубопроводных систем.
API 570 не определяет универсальные «допустимые» значения коррозии, а, скорее, предоставляет методологию для определения минимально необходимой толщины и проверки на предмет износа. Допуски на коррозию основаны на рассчитанной минимально необходимой толщине с учетом номинального давления, материала и указанного допуска на коррозию.
Документ требует расчета как долгосрочной, так и краткосрочной скорости коррозии, чтобы определить соответствующий интервал проверки. Максимальный интервал внешнего осмотра трубопроводов класса 1 составляет 5 лет, а для классов 2/3 — 10 лет. Следующая проверка обычно назначается через 10 лет или половину оставшегося срока службы.
Если присутствует точечная коррозия, ее необходимо оценить, чтобы убедиться, что оставшаяся толщина стенки достаточна для прикладывания нужного давления прокачки.
Чтобы гарантировать, что коррозия остается в пределах допуска, API 570 требует уделять особое внимание:
- Точкам впрыска, которые требуют более строгих требований к проверке;
- Коррозии под изоляцией, когда необходим целенаправленный контроль трубопроводов в диапазоне от -12°C до 175°C.
- Специальной проверке подземных трубопроводов.
API 570 представляет собой комплексный код; расчеты должны выполняться квалифицированным инспектором или инженером на основе конкретной редакции и дополнения к стандарту, а также строительных норм и правил. Допуск на коррозию — это задаваемая пользователем величина, добавляемая к номинальной толщине компонентов резервуара (корпуса, днища, крыши) для учета потерь материала с течением времени. Он добавляется к рассчитанной минимально необходимой толщине, и общая сумма проверяется на структурную устойчивость.
Отечественные нормативные документы
Практическое применение получил обобщенный метод оценки потерь по браку, основанный на экспериментальных данных интенсивности коррозии.
Результаты оценки показателя коррозионного износа показателя d обследованных стальных конструкций опор и порталов приведены ниже:
| Тип атмосферы | d, мм/год |
| Приморская | 0,011—0,018 |
| Городская | 0,009—0,02 |
| Промышленная | 0,015—0,039 |
| Зона промышленных предприятий | 0,034—0,055 |
Используется также ГОСТ 9.311-87 «Оценка коррозионных поражений», в котором принят визуальный метод оценки коррозионных потерь по браку. Определение происходит по площади (в %), занятой корродированными участками. При показателях от 0,20% до 56% поверхности присваивается коррозионный балл от 1 до 10 соответственно. Составляющими поврежденных участков являются их разрыхление (от 0,2% и выше), коррозия (не менее 0,8%) и др. При наличии нескольких факторов коррозионные баллы суммируются.