Введение
Форма коварной локализованной коррозии, при которой на месте анода развивается углубление. Ямочная коррозия, или питинг, – это форма чрезвычайно локализованной коррозии, приводящая к случайному образованию небольших углублений в металле. Движущей силой ямочной коррозии является депассивация небольшой площади, которая становится анодной (происходит реакция окисления), в то время как неизвестная, но потенциально обширная площадь становится катодной (происходит реакция восстановления), что приводит к высоколокализованной гальванической коррозии. Коррозия проникает вглубь металла при ограниченной диффузии ионов. Вводится также понятие коэффициента ямочности, который определяется как отношение глубины самого глубокого углубления (образовавшегося в результате коррозии) к средней глубине проникновения, которую можно рассчитать на основе потери массы.
Pitting corrosion, or pitting, is a form of extremely localized corrosion that leads to the random creation of small holes in metal. The driving power for pitting corrosion is the depassivation of a small area, which becomes anodic (oxidation reaction) while an unknown but potentially vast area becomes cathodic (reduction reaction), leading to very localized galvanic corrosion. The corrosion penetrates the mass of the metal, with a limited diffusion of ions. Another term arises, pitting factor, which is defined as the ratio of the depth of the deepest pit (resulting due to corrosion) to the average penetration, which can be calculated based on the weight loss.
Развитие и кинетика прокалывания
Согласно Франкелю (1998), который провёл обзор по точечной коррозии, она развивается в три последовательных этапа: (1) зарождение (или нуклеация) вследствие разрушения пассивной плёнки, защищающей поверхность металла от окисления, (2) рост метастабильных ям (достигающих микромасштаба и затем пассивирующихся повторно), и (3) рост более крупных и стабильных ям. Изменение плотности ям (числа ям на единицу площади поверхности) во времени описывается сигмоидной кривой, имеющей характерную форму логистической функции или гиперболического тангенса. Гуо и др. (2018), проведя статистический анализ сотен отдельных ям, наблюдаемых на поверхностях углеродистой стали в нано- и микромасштабах, выделяют три стадии точечной коррозии: индукцию, развитие и насыщение. Основной интерес модели точечных дефектов заключается в объяснении стохастической природы процесса точечной коррозии.
Капилярный электрофорез в яме
Для поддержания электронейтральности раствора внутри ямы, заполненной катионами, высвобождаемыми при окислении в анодной зоне (например, в случае стали), анионы должны мигрировать внутрь узкой ямы. Стоит отметить, что электромобильность тиосульфатных и хлоридных анионов является одной из самых высоких после электромобильности ионов H+ и OH- в водном растворе. Более того, молярная проводимость ионов тиосульфата даже выше, чем у ионов хлорида, поскольку они несут двойной отрицательный заряд (слабое основание, неохотно принимающее протон). В капиллярном электрофорезе тиосульфат перемещается быстрее хлорида и элюируется раньше последнего. Высокая электромобильность обоих анионов также может быть одним из многих факторов, объясняющих их негативное влияние на питтинговую коррозию по сравнению с другими гораздо менее агрессивными ионными видами, такими как SO4(2-) и NO3-.
Восприимчивые сплавы и условия окружающей среды
Коррозия в ямах определяется локализованным разрушением, размером от микрон до миллиметров в диаметре, на поверхности, покрытой пассивной пленкой, и возникает только при определенных сочетаниях сплава и окружающей среды. Таким образом, этот тип коррозии обычно наблюдается в сплавах, защищенных прочной (пассивирующей) оксидной пленкой, таких как нержавеющие стали, никелевые сплавы и алюминиевые сплавы, в средах, содержащих агрессивные ионы, например, хлориды (Cl–) или тиосульфаты (S2O32–). Напротив, сочетания сплава и среды, в которых пассивная пленка недостаточно защитна, обычно не приводят к коррозии в ямах. Хорошим примером важности сочетания сплава и окружающей среды является углеродистая сталь. В средах с pH ниже 10 углеродистая сталь не образует пассивирующую оксидную пленку, и добавление хлоридов вызывает равномерное разрушение всей поверхности. Однако при pH выше 10 (щелочной) оксидная пленка становится защитной, и добавление хлоридов приводит к коррозии в ямах. Помимо хлоридов, к факторам, способствующим коррозии в ямах, относятся тиосульфаты (S2O32–), фториды и йодиды. Застой воды с низкой концентрацией растворенного кислорода также благоприятствует образованию ям. Тиосульфаты являются особенно агрессивными ионами и образуются в результате частичного окисления пирита (FeS2, дисульфида железа) или частичного восстановления сульфатов микроорганизмами, в том числе сульфатредуцирующими бактериями (SRB). Тиосульфаты представляют опасность коррозии во многих отраслях, работающих с соединениями серы: переработка сульфидных руд, нефтяные скважины и трубопроводы для транспортировки кислых нефтей, предприятия по производству крафт-бумаги, фотоиндустрия, заводы по производству метионина и лизина.
Влияние условий окисления и выделения
Хотя в вышеупомянутом примере оксические условия всегда рассматривались в связи с восстановлением растворенных веществ в катодных зонах, точечная коррозия может также возникать в аноксических, или восстановительных, условиях. Действительно, крайне вредные восстановленные формы серы (, , , , S0 и ) могут существовать только в восстановительной среде. Более того, в случае стали и нержавеющей стали восстановительные условия способствуют растворению защитного оксидного слоя (плотный γ), поскольку он гораздо более растворим, чем , и, следовательно, восстановительные условия способствуют разрушению защитного оксидного слоя (инициация, зарождение ямы). Таким образом, восстановители оказывают антагонистическое действие по отношению к окислителям (хромат, нитрит), используемым в качестве ингибиторов коррозии для индуцирования повторной пассивации стали посредством образования плотного защитного слоя γ. Точечная коррозия может, таким образом, возникать как в окислительных, так и в восстановительных условиях и может усугубляться в плохо оксигенированных водах дифференциальной аэрацией или циклами высыхания/намокания. В условиях сильного восстановления, при отсутствии растворенного кислорода в воде или поровой воде грунта, акцептором электронов (окислителем) на катодных участках, где происходит восстановление, могут быть протоны самой воды, протоны сероводорода (|H2S), или, в кислых условиях в случае интенсивного окисления пирита в бывшей оксической атмосфере, растворенные ионы железа , известные как очень сильные окислители. Также необходимо учитывать наличие вредных восстановленных форм серы и микробной активности, поддерживающей цикл серы (окисление сульфидов, возможно, сопровождаемое бактериальным сульфатредуцированием). Строго абиотические (т.е. неорганические) процессы коррозии, как правило, протекают медленнее в аноксических условиях, чем в оксических, но присутствие бактерий и биопленок может усугубить условия деградации и вызвать неожиданные проблемы. Критически важные инфраструктуры и металлические компоненты с очень длительным сроком службы могут быть подвержены точечной коррозии: например, металлические контейнеры и транспортные упаковки, предназначенные для содержания витрифицированных высокоактивных радиоактивных отходов (HLW) и отработавшего ядерного топлива и для их герметизации в водонепроницаемой оболочке на протяжении нескольких десятков тысяч лет в глубоких геологических хранилищах.
Технические неисправности, вызванные коррозией в ямах
Одна небольшая яма в критической точке может привести к значительному ущербу. Примером является взрыв в Гвадалахаре (Мексика) 22 апреля 1992 года, когда километры улиц были разрушены из-за скопления паров бензина в канализационной системе. Эти пары образовались в результате утечки бензина через единственное отверстие, возникшее из-за коррозии в месте контакта стальной бензиновой трубы и оцинкованной водопроводной трубы. Огнестрельное оружие также подвержено образованию ям, особенно в канале ствола при использовании коррозионных боеприпасов и несвоевременной очистке ствола. Деформации канала ствола, вызванные ямами, могут существенно снизить точность оружия. Для уменьшения образования ям в каналах стволов большинства современных огнестрельных оружий используют хромированное покрытие канала ствола. Ямочная коррозия также может способствовать возникновению коррозионного растрескивания под напряжением, как это произошло с одним из рычагов на мосту Сильвер-Бридж в штате Западная Вирджиния (США), что привело к гибели 46 человек в декабре 1967 года. В лабораториях ямочная коррозия может повредить оборудование, снижая его производительность или срок службы. Особую озабоченность вызывают вытяжные шкафы, поскольку состав материала их воздуховодов должен соответствовать основным отводимым веществам. Если выбранный материал воздуховода не подходит для основных отводимых веществ, то возникающая ямочная коррозия не позволит вытяжному шкафу эффективно удерживать вредные частицы, находящиеся в воздухе.
История и литература
С давних пор известно, что сера способствует разрушению. Это справедливо для многих материалов, таких как коррозия металлов или разрушение бетона. В "Короле Лире" Шекспир говорит: "Там ад, там тьма, там серная пропасть, пылающая, обжигающая, зловонная, пожирающая; о, мерзость, мерзость, мерзость!"