Железо и его сплавы с углеродом,, т. е. сталь и чугун, при нормальной температуре и при полном отсутствии влаги не корродируют. Не корродирует железо и в воде, лишенной растворенного кислорода и имеющей нейтральную или щелочную реакцию. При наличии же в окружающей среде кислорода и влаги процесс коррозии железа протекает весьма интенсивно. В условиях почвенной коррозии сталь и чугун обладают примерно равной противокоррозионной стойкостью.
Помещенная в грунт стальная труба в первое время более или менее равномерно покрывается оксидной пленкой и ржавчиной (гидратированная окись железа), что можно рассматривать как проявление общей коррозии. Вскоре на поверхности трубы образуются анодные участки, соответствующие нарушениям сплошности оксидной пленки. Здесь происходит активный процесс перехода металла в почвенный раствор, что ведет к возникновению местных видов коррозии (пятна, точечная коррозия и др.).
В случае коррозии с кислородной деполяризацией, что имеет место в нейтральных и щелочных почвах, анодные участки образуются на тех частях поверхности трубы, к которым нет доступа кислорода или он более затруднен по сравнению с соседними участками. Одновременно на остальной части поверхности грубы, где имеет место нормальная аэрация, происходят катодные процессы.
Корродирование железа в нейтральных и щелочных почвах в большинстве случаев протекает с кислородной деполяризацией. В кислых почвах тяжелого механического состава, где затруднена аэрация, катодный процесс протекает за счет разряда водорода и выделения его в виде пузырьков газа с катодной поверхности. Чем лучше воздухообмен в почве, тем больше (при прочих равных условиях) аэрируемая катодная площадь и соответственно меньше анодная площадь. Поэтому в хорошо проветриваемых почвах легкого механического состава коррозия распределяется неравномерно; она сосредоточивается в отдельных точках и на поверхности трубы возникают язвы, пятна и другие формы местной коррозии. Наоборот, в почвах тяжелого механического состава, где аэрация затруднена, коррозионные разрушения распределяются более равномерно.
Картина коррозии железа в почве представляется в следующем виде. В результате анодного растворения ионы железа переходят в почвенный раствор и соединяются с ионами Сl', SO"4, ОН', НСО'з, СО"3. Образовавшиеся соли закиси железа в зависимости от условий коррозии проникают в окружающую почву и рассеиваются или тут же, взаимодействуя с растворенным кислородом и ОН-ионами, превращаются в гидрат окиси железа Fe(OH)3. Поскольку растворимость последнего в нейтральной и щелочной среде невелика, гидрат окиси выпадает в виде геля, образуя бугорки ржавчины.
Расстояние, на которое ионы диффундируют от металла в почву, зависит от ряда условий, а именно: от скорости анодного растворения, концентрации почвенного раствора, скорости притока кислорода и т. п. Так, в почвах с невысоким содержанием водорастворимых солей Fe(OH)3 осаждается на анодных участках в виде плотного, хорошо схватывающегося с металлом слоя. При более слабой аэрации и повышенной концентрации солей гидрат окиси может образовывать наросты в виде бугорков ржавчины.
Расположенная под бугорком коррозионная язва будет развиваться вглубь до тех пор, пока образующаяся над ней толща ржавчины не станет полной преградой для диффузии кислорода и ионов закисного железа. При недостатке кислорода, высокой концентрации солей в почвенном растворе или высокой кислотности среды соли закиси железа могут мигрировать на большие расстояния от металла. Если в этих условиях возможна водородная деполяризация, то коррозия может стать значительной, так как в этом случае она всецело определяется скоростью деполяризации катода. При кислородной деполяризации скорость коррозии ограничивается скоростью диффузии кислорода. В этом случае на поверхности железа в катодных зонах образуются защитные пленки из окиси и гидроокиси железа или из малорастворимых карбонатов кальция и магния.
Чем больше в почве содержится карбонатов кальция и магния, тем выше стойкость железа, так как в этом случае создается прочная защитная пленка из карбонатов, препятствующая коррозии. При повышенной кислотности почвы (рН < 6) и наличии хлоридов и сульфатов, хотя бы в небольших концентрациях, защитная пленка из карбонатов растворяется и не может предохранять железо от коррозии.
Избыток кислорода против того количества, которое требуется для деполяризации, в целом способствует торможению коррозии, так как вызывает образование защитных пленок. Это не противоречит тому положению, что в избыточном количестве кислород вызывает местную коррозию с образованием язв, точек и т. п.
Развитие последних в большинстве случаев хотя вначале и происходит быстро, с течением времени замедляется или приостанавливается, так как образующиеся продукты коррозии тормозят дальнейший процесс. И только при наличии высококоррозионной среды этот процесс развивается беспрепятственно и вызывает сквозные проржавления. В щелочной почве с рН от 7 до 14 железо обладает повышенной стойкостью, так как в этих условиях образуется устойчивая защитная пленка; при повышении щелочности среды до рН > 14 процесс коррозии железа активизируется. Ржавление железа в природных поверхностных и грунтовых водах выражается следующим уравнением:
Fe → Fe " + 2 электрона.
Рис. 13. Зависимость скорости коррозии железа от рН раствора.
Скорость этой реакции пропорциональна концентрации кислорода в растворе, но лишь до некоторого критического предела. Если концентрация кислорода превосходит этот предел, скорость коррозии может резко понизиться вследствие пассивирования железа. Наличие в природной воде ионов хлора сильно препятствует пассивированию.
Вследствие этого с ростом концентрации кислорода в воде в присутствии ионов хлора наблюдается повышение скорости коррозии, даже при критическом значении концентрации кислорода. Растворенный кислород, содержащийся в 1 л воды, насыщенной воздухом, при условии полного его потребления на коррозию железа обеспечивает разрушение 1 см2 поверхности металла на глубину 0,0025 см.
Общая коррозия железа и стали в обычной морской воде, как показали испытания в различных точках земного шара, является довольно постоянной и составляет в среднем 0,012—0,013 см/год. Безусловно агрессивными по отношению к железу являются грунтовые и поверхностные воды с рН< 6,5 и рН>14, а также воды, жесткость которых менее 7°. Особенно опасными являются воды болотные, так как они, как правило, мягкие и содержат органические кислоты, дающие с железом растворимые соединения. Скорость общей коррозии стали, погруженной в мягкую воду, насыщенную воздухом, колеблется в пределах 0,005÷0,015 см/год. При местной коррозии скорость ее может быть в 10 раз больше.
При оценке агрессивности воды — среды следует исходить из того, что скорость коррозии железа возрастает с уменьшением рН и жесткости и увеличением содержания хлоридов, сульфатов и свободной углекислоты. Наоборот, с повышением рН и жесткости воды и уменьшением содержания сульфатов, хлоридов и углекислоты коррозионная стойкость железа возрастает.