Высокая коррозионная стойкость цинка в атмосфере обусловлена образованием на его поверхности пленки нерастворимого основного карбоната цинка. Когда цинковое покрытие не имеет дефектов, коррозия оцинкованного изделия протекает аналогично коррозии литого или катанного цинка.
В этом случае различают два вида коррозии: с выделением и без выделения водорода. Первая происходит в средах сильных кислот и щелочей. К сильным кислотам относятся уксусная, лимонная, хромовофосфорная, муравьиная, соляная, фтороводородная, серная и др. Высокие скорости коррозии ь этих средах объясняются отсутствием пленок на поверхности цинка и в связи с этим облегченным доступом к поверхности металлов ионов водорода, гидроксильной группы и кислорода:
Zn + 2H2O - Zn(OH)2 + Н2. (8)
Второй вид коррозии происходит в нейтральных или почти нейтральных растворах при значении pH от 6 до 12,5. Коррозия сопровождается образованием пленок из продуктов коррозии на опорных участках металла. Если пленки плотные и хорошо скреплены с поверхностью металла, они действуют как защитные слои и препятствуют дальнейшему доступу коррозионных компонентов к поверхности металла. В некоторых случаях образуются растворимые пленки, которые не тормозят реакцию коррозии. Этот вид коррозии цинка протекает по схеме:
(9)
(10)
При наличии в воздухе агрессивных примесей происходит образование основного сульфата цинка через промежуточные стадии:
(11)
В условиях эксплуатации конструкции из оцинкованной стали продукт коррозии цинка представляет собой смесь солей серной и сернистой кислот, причем содержание SO3 в продуктах коррозии зависит от содержания SO2 в воздухе. Помимо SO2 на цинковое покрытие воздействуют и другие агрессивные газы. В случае содержания в окружающей среде ионов С1- и SO2- продукт коррозии (белая ржавчина) состоит из ZnCl2-4Zn(OH)2 и Zn SO4 • 4Zn(OH)2.
Стойкость цинкового покрытия значительно снижается при совместном действии влажности (свыше 0,75 %) и содержащихся в окружающей среде ионов С1~ и SO2-.
Рис. 6. Зависимость скорости коррозии и цинка от pH среды
Определяющее влияние на скорость образования, состав, структуру и свойства защитных пленок на цинке оказывает pH среды. Зависимость скорости коррозии цинка от pH среды приведена на рис. 6.
Скорость коррозии цинка минимальна при pH 7—12 окружающей среды. Часто скорость коррозии подчиняется линейному закону во времени, т. е. общая коррозия прямо пропорциональна продолжительности воздействия агрессивной среды. Однако в некоторых условиях, например в сильно загрязненной промышленной атмосфере, скорость коррозии цинка может несколько возрастать с увеличением продолжительности испытаний.
Таким образом, срок службы конструкции из оцинкованной стали определяется маркой стали, степенью загрязненности атмосферы, составом агрессивных в отношении цинка примесей, влажностью и температурой воздуха, продолжительностью воздействия на металл атмосферы, осадков.
В первой стадии эксплуатации конструкций из оцинкованной стали в сравнительно короткий срок, до одного года, цинковое покрытие потускнеет, что является признаком начала коррозионного процесса. В дальнейшем внешний вид конструкции мало меняется, происходит образование продуктов коррозии и их постоянное удаление с места образования дождевой водой и ветром.
Процесс протекает до тех пор, пока весь слой цинка на поверхности стали не перейдет в продукты коррозии. Появляются видимые следы коррозии — ржавые пятна или более обширные участки обнаженного основного металла.
При выполнении натурных испытаний оцинкованных образцов определялась скорость коррозии для различных типов атмосферы.
Испытания проведены с учетом требований стандартных методов испытаний. Образцы для коррозионных испытаний изготовлены из стали ВСтЗпсб, так как сталь этой марки является основным материалом для изготовления опор ВЛ. Оцинковка образцов производилась на ОАО ДЗВО по существующей заводской технологии. Стандартные образцы 50*50*4 мм помещались в деревянные кассеты по 6 штук в каждую для разового съема. Кассеты были размещены на опорах ВЛ ПЭО «Донбассэнерго». Съемы кассет проводились раз в 6 мес в течение 3 лет.
Рис. 7. Результаты натурных исследований зависимости глубины коррозионного поражения цинкового покрытия от срока эксплуатации и типа атмосферы:
1 - промышленная; 2 — городская: 3 — приморская; 4 — сельская
Предварительно по данным Гидрометеорологической службы и санитарно-эпидемиологических станций Министерства здравоохранения были установлены районы с характерными параметрами атмосферы. Для определения степени агрессивного воздействия атмосферы использовались следующие параметры: зона влажности в зависимости от продолжительности увлажнения поверхности металла (2т, ч/год), концентрация коррозионно-активных примесей сернистого газа (С , мг/м3) и Cl-ионов (С, мг/м3-сут).
Натурные испытания проводились в умеренно влажном регионе с 2г=3000...3600 ч/год для четырех агрохимических типов атмосферы: сельской (концентрация сернистого газа С^Ч),005...0,008 мг/м3); городской (С-0,016...0.020 мг/м3); промышленной =0,201...0,500 мг/м3; приморской (0,015 мг/м3, Сс1-=1,0...20,0 мг/м2сут).
Оценка результатов испытаний осуществлялась после каждого промежуточного съема образцов гравиметрическим способом.
Расчет параметров регрессионных моделей для исследуемых типов атмосферы выполнен методом наименьших квадратов на ЭВМ с использованием стандартных программ. Скорость коррозии v0 характеризует степень агрессивного воздействия атмосферы, ее величина изменяется таким образом:
Тип атмосферы Vo, мкм/год
Сельская .......................................................................................................... 0,5—1,5
Приморская ..................................................................................................... 1,5—2,5
Городская......................................................................................................... 2,5—4,0
Промышленная .................................................................................. 4,0—6,0
На рис. 7 представлены графики зависимости коррозионного процесса для характерных типов атмосферы. Степень приближения уравнения регрессии к результатам экспериментальных исследований оценивалась выборочным коэффициентом корреляции г*, который изменяется в интервале 0,95—0,98. Анализ результатов натурных испытаний
в различных типах окружающей среды позволяет заключить, что материальные потери от коррозии хорошо описываются линейной функцией в течение всего периода испытаний.
Для построения математической модели коррозионного процесса применен метод идентификации, заключающийся в построении модели процесса по первичной информации, полученной в условиях эксплуатации.
Возможность применения полученной модели для долгосрочного прогноза коррозионного процесса осуществлена косвенной верификацией, т. е. сопоставлением модели и приведенных в литературе результатов исследований аналогичных процессов.
