ОПРЕДЕЛЕНИЕ
При соприкосновении с окружающей средой многие металлы, а также сплавы на основе металлов могут подвергаться разрушению за счет химического взаимодействия (ОВР с веществами, находящимися в окружающей среде). Такой процесс называется коррозией .
Различают коррозию в газах (газовая коррозия), происходящую при высоких температурах в отсутствии воздействия влаги на поверхности металлов, и электрохимическую коррозию (коррозия в растворах электролитов, а также коррозия во влажной атмосфере). В результате газовой коррозии на поверхности металлов образуются оксидные, сульфидные и т.д. пленки. Этому виду коррозии подвергаются арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания и т.д.
В результате электрохимической коррозии окисление металла может приводить как к образованию нерастворимых продуктов, так и переходу металла в раствор в виде ионов. Этому типу коррозии подвергаются трубопроводы, находящиеся в земле, подводные части кораблей и т.д.
Любой раствор электролита – водный раствор, а в воде содержатся кислород и водород, способные к восстановлению:
O 2 + 4H + +4e = 2H 2 O (1)
2H + +2e=H 2 (2)
Эти элементы являются окислителями, которые вызывают электрохимическую коррозию.
При написании процессов, происходящих при электрохимической коррозии важно учитывать стандартные электродные потенциалы (ЭП). Так, в нейтральной среде ЭП процесса 1 равен 0,8B, поэтому окислению кислородом подвергаются металлы ЭП которых меньше, чем 0,8B (металлы, расположенные в ряду активности от его начала до серебра).
ЭП процесса 2 — -0,41В, значит окислению водородом подвергаются только те металлы, потенциал которых ниже, чем -0,41В (металлы, расположенные в ряду активности от его начала до кадмия).
На скорость коррозии большое влияние оказываю примеси, которые может содержать тот или иной металл. Так, если в металле имеются примеси неметаллического характера, а их ЭП выше, чем ЭП металла, то скорость коррозии существенно повышается.
Виды коррозии
Различают несколько видов коррозии: атмосферную (коррозия во влажном воздухе при н.у.), коррозию в грунте, коррозия при неравномерной аэрации (доступ кислорода к разным частям металлического изделия, находящегося в растворе, неодинаков), контактная коррозия (соприкосновение 2х металлов, с разными ЭП в среде, где присутствует влага).
При коррозии на электродах (аноде и катоде) происходят электрохимические реакции, которые можно записать соответствующими уравнениями. Так, в кислой среде электрохимическая коррозия протекает с водородной деполяризацией, т.е. на катоде выделяется водород (1). В нейтральной среде электрохимическая коррозия протекает с кислородной деполяризацией — на катоде происходит восстановление воды (2).
К (катод) (+):2H + +2e=H 2 — восстановление (1)
А (анод) (-): Me — ne →Me n + – окисление
К (катод) (+): O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH — — восстановление (2)
В случае атмосферной коррозии на электродах происходят следующие электрохимические реакции (причем на катоде, в зависимости от среды могут протекать различные процессы):
А (анод) (-): Me→Me n + +ne
К (катод) (+): O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH — (в щелочной и нейтральной среде)
К (катод) (+): O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (в кислой среде)
Защита от коррозии
Для защиты от коррозии применяют следующие методы: использование химически стойких сплавов; защита поверхности металлов покрытиями, в качестве которых чаще всего используют металлы, покрывающиеся на воздухе оксидными пленками, устойчивыми к действию внешней среды; обработка коррозионной среды; электрохимические методы (катодная защита, метод протекторов).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Деталь состоит из сплава железа и никеля. Какой металл будет быстрее разрушаться при коррозии? Запишите уравнения анодного и катодного процессов при атмосферной коррозии. Значения стандартных электродных потенциалов E(Fe 2+ /Fe)= — 0,444В, E(Ni 2+ /Ni)= -0,250В. | ||||||||||||||||
| Решение | В первую очередь коррозии подвергаются активные металлы (обладающие самыми отрицательными значениями стандартных электродных потенциалов), в данном случае – это железо.
Словосочетания «коррозия металла» заключает в себе намного больше, чем название популярной рок-группы. Коррозия безвозвратно разрушает металл , превращая его в труху: из всего, произведенного в мире железа, 10% полностью разрушится в этот же год. Ситуация с российским металлом выглядит примерно так — весь металл, выплавленный за год в каждой шестой доменной печи нашей страны, становится ржавой трухой еще до конца года. Выражение «обходится в копеечку» в отношении коррозии металла более чем верно — ежегодный ущерб, приносимый коррозией, составляет не менее 4% годового дохода любой развитой страны, а в России сумма ущерба исчисляется десятизначной цифрой. Так что же вызывает коррозийные процессы металлов и как с ними бороться? Что такое коррозия металловРазрушение металлов в результате электрохимического (растворение во влагосодержащей воздушной или водной среде — электролите) или химического (образование соединений металлов с химическими агентами высокой агрессии) взаимодействия с внешней средой. Коррозийный процесс в металлах может развиться лишь в некоторых участках поверхности (местная коррозия), охватить всю поверхность (равномерная коррозия), или же разрушать металл по границам зерен (межкристаллитная коррозия). Металл под воздействием кислорода и воды становится рыхлым светло-коричневым порошком, больше известным как ржавчина (Fе 2 O 3 ·H 2 О). Химическая коррозияЭтот процесс происходит в средах, не являющихся проводниками электрического тока (сухие газы, органические жидкости — нефтепродукты, спирты и др.), причем интенсивность коррозии возрастает с повышением температуры — в результате на поверхности металлов образуется оксидная пленка. Химической коррозии подвержены абсолютно все металлы — и черные, и цветные. Активные цветные металлы (например — алюминий) под воздействием коррозии покрываются оксидной пленкой, препятствующей глубокому окислению и защищающей металл. А такой мало активный металл, как медь, под воздействием влаги воздуха приобретает зеленоватый налет — патину. Причем оксидная пленка защищает металл от коррозии не во всех случаях — только если кристаллохимическая структура образовавшейся пленки сообразна строению металла, в противном случае — пленка ничем не поможет.
Сплавы подвержены другому типу коррозии: некоторые элементы сплавов не окисляются, а восстанавливаются (например, в сочетании высокой температуры и давления в сталях происходит восстановление водородом карбидов), при этом сплавы полностью утрачивают необходимые характеристики. Электрохимическая коррозияПроцесс электрохимической коррозии не нуждается в обязательном погружении металла в электролит — достаточно тонкой электролитической пленки на его поверхности (часто электролитические растворы пропитывают среду, окружающую металл (бетон, почву и т.д.)). Наиболее распространенной причиной электрохимической коррозии является повсеместное применение бытовой и технической солей (хлориды натрия и калия) для устранения льда и снега на дорогах в зимний период — особенно страдают автомашины и подземные коммуникации (по статистике, ежегодные потери в США от использования солей в зимний период составляют 2,5 млрд. долларов). Происходит следующее: металлы (сплавы) утрачивают часть атомов (они переходят в электролитический раствор в виде ионов), электроны, замещающие утраченные атомы, заряжают металл отрицательным зарядом, в то время как электролит имеет положительный заряд. Образуется гальваническая пара: металл разрушается, постепенно все его частицы становятся частью раствора. Электрохимическую коррозию могут вызывать блуждающие токи, возникающие при утечке из электрической цепи части тока в водные растворы или в почву и оттуда — в конструкции из металла. В тех местах, где блуждающие токи выходят из металлоконструкций обратно в воду или в почву, происходит разрушение металлов. Особенно часто блуждающие токи возникают в местах движения наземного электротранспорта (например, трамваев и ж/д локомотивов на электрической тяге). Всего за год блуждающие токи силой в 1А способны растворить железа — 9,1 кг, цинка — 10,7 кг, свинца — 33,4 кг. Другие причины коррозии металлаРазвитию коррозийных процессов способствуют радиация, продукты жизнедеятельности микроорганизмов и бактерий. Коррозия, вызываемая морскими микроорганизмами, наносит ущерб днищам морских судов, а коррозийные процессы, вызванные бактериями, даже имеют собственное название — биокоррозия.
Совокупность воздействия механических напряжений и внешней среды многократно ускоряет коррозию металлов — снижается их термоустойчивость, повреждаются поверхностные оксидные пленки, а в тех местах, где появляются неоднородности и трещины, активируется электрохимическая коррозия. Меры защиты металлов от коррозииНеизбежными последствиями технического прогресса является загрязнение нашей среды обитания — процесс, ускоряющий коррозию металлов, поскольку внешняя окружающая среда проявляет к ним все большую агрессию. Каких-либо способов полностью исключить коррозийное разрушение металлов не существует, все, что можно сделать, это максимально замедлить этот процесс. Для минимизации разрушения металлов можно сделать следующее: снизить агрессию среды, окружающей металлическое изделие; повысить устойчивость металла к коррозии; исключить взаимодействие между металлом и веществами из внешней среды, проявляющими агрессию. Человечеством за тысячи лет испробованы многие способы защиты металлических изделий от химической коррозии, некоторые из них применяются по сей день: покрытие жиром или маслом, другими металлами, коррозирующими в меньшей степени (самый древний метод, которому уже более 2 тыс. лет — лужение (покрытие оловом)). Антикоррозийная защита неметаллическими покрытиямиНеметаллические покрытия — краски (алкидные, масляные и эмали), лаки (синтетические, битумные и дегтевые) и полимеры образуют защитную пленку на поверхности металлов, исключающую (при своей целостности) контакт с внешней средой и влагой. Применение красок и лаков выгодно тем, что наносить эти защитные покрытия можно непосредственно на монтажной и строительной площадке. Методы нанесения лакокрасочных материалов просты и поддаются механизации, восстановить поврежденные покрытия можно «на месте» — во время эксплуатации, эти материалы имеют сравнительно низкую стоимость и их расход на единицу площади невелик. Однако их эффективность зависит от соблюдения нескольких условий: соответствие климатическим условиям, в которых будет эксплуатироваться металлическая конструкция; необходимость применения исключительно качественных лакокрасочных материалов ; неукоснительное следование технологии нанесения на металлические поверхности. Лакокрасочные материалы лучше всего наносить несколькими слоями — их количество обеспечит лучшую защиту от атмосферного воздействия на металлическую поверхность.
В роли защитных покрытий от коррозии могут выступать полимеры — эпоксидные смолы и полистирол, поливинилхлорид и полиэтилен. В строительных работах закладные детали из железобетона покрываются обмазками из смеси цемента и перхлорвинила, цемента и полистирола. Защита железа от коррозии покрытиями из других металловСуществует два типа металлических покрытий-ингибиторов — протекторные (покрытия цинком, алюминием и кадмием) и коррозионностойкие (покрытия серебром, медью, никелем, хромом и свинцом). Ингибиторы наносятся химическим способом: первая группа металлов имеет большую электроотрицательность по отношению к железу, вторая — большую электроположительность. Наибольшее распространение в нашем обиходе получили металлические покрытия железа оловом (белая жесть, из нее производят консервные банки) и цинком (оцинкованное железо — кровельное покрытие), получаемые путем протягивания листового железа через расплав одного из этих металлов. Часто цинкованию подвергаются чугунная и стальная арматура, а также водопроводные трубы — эта операция существенно повышает их стойкость к коррозии, но только в холодной воде (при проводе горячей воды оцинкованные трубы изнашиваются быстрее неоцинкованных). Несмотря на эффективность цинкования, оно не дает идеальной защиты — цинковое покрытие часто содержит трещины, для устранения которых требуется предварительное никелерование металлических поверхностей (покрытие никелем). Цинковые покрытия не позволяют наносить на них лакокрасочные материалы — нет устойчивого покрытия. Лучшее решение для антикоррозийной защиты — алюминиевое покрытие. Этот металл имеет меньший удельный вес, а значит — меньше расходуется, алюминированные поверхности можно окрашивать и слой лакокрасочного покрытия будет устойчив. Кроме того, алюминиевое покрытие по сравнению с оцинкованным покрытием обладает большей стойкостью в агрессивных средах. Алюминирование слабо распространено из-за сложности нанесения этого покрытия на металлический лист — алюминий в расплавленном состоянии проявляет высокую агрессию к другим металлам (по этой причине расплав алюминия нельзя содержать в стальной ванне). Возможно, эта проблема будет полностью решена в самое ближайшее время — оригинальный способ выполнения алюминирования найден российскими учеными. Суть разработки заключается в том, чтобы не погружать стальной лист в расплав алюминия, а поднять жидкий алюминий к стальному листу. Повышение коррозийной стойкости путем добавления в стальные сплавы легирующих добавокВведение в стальной сплав хрома, титана, марганца, никеля и меди позволяет получить легированную сталь с высокими антикоррозийными свойствами. Особенную стойкость стальному сплаву придает большая доля хрома, благодаря которому на поверхности конструкций образуется оксидная пленка большой плотности. Введение в состав низколегированных и углеродистых сталей меди (от 0,2% до 0,5%) позволяет повысить их коррозийную устойчивость в 1,5-2 раза. Легирующие добавки вводятся в состав стали с соблюдением правила Таммана: высокая коррозийная устойчивость достигается, когда на восемь атомов железа приходится один атом легирующего металла. Меры противодействия электрохимической коррозииДля ее снижения необходимо понизить коррозийную активность среды посредством введения неметаллических ингибиторов и уменьшить количество компонентов, способных начать электрохимическую реакцию. Таким способом будет понижение кислотности почв и водных растворов, контактирующих с металлами. Для снижения коррозии железа (его сплавов), а также латуни, меди, свинца и цинка из водных растворов необходимо удалить диоксид углерода и кислород. В электроэнергетической отрасли проводится удаление из воды хлоридов, способных повлиять на локальную коррозию. С помощью известкования почвы можно снизить ее кислотность. Защита от блуждающих токовСнизить электрокоррозию подземных коммуникаций и заглубленных металлоконструкций возможно при соблюдении нескольких правил:
Защита металлических объектов, снабженных изоляцией, а также стальных конструкций небольшого размера выполняется с помощью протектора, выполняющего функцию анода. Материалом для протектора служит один из активных металлов (цинк, магний, алюминий и их сплавы) — он принимает на себя большую часть электрохимической коррозии, разрушаясь и сохраняя главную конструкцию. Один анод из магния, к примеру, обеспечивает защиту 8 км трубопровода. Абдюжанов Рустам, специально для рмнт.ру К.т.н. В.Б. Косачев, А.П. Гулидов, НПК «Вектор», г. Москва В статье приведены сведения о коррозии металлов, которые могут быть полезны для широкого круга инженерно-технических работников, связанных по роду деятельности с осуществлением практических мер по защите от коррозии оборудования теплоснабжающих организаций. Коррозия и ее социальное значение Любой коррозионный процесс приводит к изменениям в свойствах конструкционных материалов. Результатом процесса является «коррозионный эффект», ухудшающий функциональные характеристики металла оборудования, среды и технических систем, расценивающийся как «эффект повреждения» или «коррозионная порча». Очевидно, что экономические потери, связанные с коррозией металлов, определяются не столько стоимостью прокорродировавшего металла, сколько стоимостью ремонтных работ, убытками за счет временного прекращения функционирования инженерных систем, затратами на предотвращение аварий, в некоторых случаях абсолютно недопустимых с точки зрения экологической безопасности. Оценки затрат, связанных с коррозией (по данным зарубежных источников) приводят к выводу, что общие годовые расходы на борьбу с последствиями коррозии составляют 1,5-2% валового национального продукта. Часть этих затрат неизбежна; было бы нереально полностью исключить все коррозионные разрушения. Тем не менее, можно значительно сократить коррозионные потери за счет лучшего использования на практике накопленных знаний о коррозионных процессах и методов защиты от коррозии, которыми антикоррозионные службы располагают на данный момент. Процессы коррозии Понятие «коррозия металлов» включает большую группу химических процессов, приводящих к разрушению металла. Эти процессы резко отличаются друг от друга по внешним проявлениям, по условиям и средам в которых они протекают, а также по свойствам реагирующих металлов и образующихся продуктов реакции. Однако для их объединения имеются все основания, т.к. несмотря на резкие отличия, все эти процессы имеют не только общий результат – разрушение металла, но и единую химическую сущность – окисление металла. Причина коррозии – термодинамическая неустойчивость металлов, вследствие чего большинство из них встречаются в природе в окисленном состоянии (оксиды, сульфиды, силикаты, алюминаты, сульфаты и т.д.). Таким образом, коррозию можно определить как самопроизвольный процесс, протекающий при взаимодействии металла с окружающей средой, сопровождающийся уменьшением свободной энергии Гиббса и разрушением металла. Коррозия протекает на границе раздела двух фаз «металл – окружающая среда», т. е. является гетерогенным многостадийным процессом и состоит как минимум из трех основных многократно повторяющихся стадий: 1 подвода реагирующих веществ (в том числе коррозионного агента) к поверхности раздела фаз; 2 собственно реакции взаимодействия металла с коррозионной средой, итогом которой является переход некоторого количества металла в окисленную форму с образованием продуктов коррозии, а коррозионного агента в восстановленную форму; 3 отвод продуктов коррозии из реакционной зоны. Механизмы процессов коррозии По механизму протекания процесса окисления металла различают химическую и электрохимическую коррозию. Химическая коррозия . К этому виду коррозии относятся такие процессы окисления металла и восстановления коррозионного агента, при которых передача электронов металла осуществляется непосредственно атомам или ионам окислителя (коррозионного агента), которым наиболее часто является кислород воздуха. 2Ме + О 2 -->2МеО (1) В практике теплоснабжения наиболее распространенным и практически важным видом химической коррозии является газовая коррозия – коррозия металлов в сухих газах (воздух, продукты сгорания топлива) при высоких температурах. Основными факторами, влияющими на скорость газовой коррозии, являются: 3 природа металла (сплава); 4 состав газовой среды; 5 механические свойства образующихся продуктов коррозии (оксидных пленок); 6 температура. Так, для железа, основного компонента углеродистых сталей, применяемых для изготовления экранов топочного пространства и конвективной части водогрейных котлов, зависимость скорости газовой коррозии от температуры близко к экспоненциальной, рис. 1. Температура оказывает влияние на состав образующихся на стали оксидных пленок и законы их роста, табл. 1. От состава оксидных пленок зависят их механические и, соответственно, защитные свойства, поскольку плотная сплошная оксидная пленка может защитить металл от дальнейшего окисления. Парциальное давление кислорода также оказывает влияние на скорость газовой коррозии. При окислении ряда металлов при постоянной и достаточно высокой температуре с повышением парциального давления кислорода (Ро 2) скорость окисления сначала резко увеличивается, а затем, при достижении некоторого критического значения (Р о 2) – резко уменьшается и в широком диапазоне давлений остается достаточно низкой, рисунок 2. Большое влияние на скорость окисления металлов оказывает режим нагрева. Колебания температуры (переменный нагрев и охлаждение) даже в небольших интервалах вызывают разрушение оксидных пленок вследствие возникновения больших внутренних напряжений, в результате чего скорость окисления металла резко увеличивается. Для защиты от газовой коррозии применяют жаростойкое легирование сталей, создают защитные (восстановительные) атмосферы, используют термодиффузионные (на основе алюминия, кремния и хрома) и напыляемые (на основе оксидов алюминия, магния, циркония) защитные покрытия. Электрохимическая коррозия. Этот вид коррозии наиболее распространен и включает те случаи, когда процессы окисления металла и восстановления окислительного компонента протекают раздельно в среде жидкого электролита, т.е. в среде, проводящей электрический ток. Такими средами могут являться: природная вода, водные растворы солей, кислот, щелочей, а также воздух, почва и теплоизоляционные конструкции, содержащие электролит (влагу) в определенном количестве. Таким образом, процесс электрохимической коррозии представляет собой совокупность двух сопряженно протекающих реакций: анодной (окисление) Ме → Ме z+ + ze - (2), и катодной (восстановление) D + ze - → (Dze -) (3), где D – деполяризатор (окислитель), присоединяющий к себе электроны металла. В качестве деполяризатора могут выступать: кислород, растворенный в электролите, ионы водорода (Н +) и некоторых металлов. Общая схема электрохимического коррозионного процесса металла приведена на рисунке 3, а частный случай ржавления железа описывается реакцией: 2Fe + 2H 2 O + O 2 → 2Fe 2+ + 4 OH - (4). Возникновение гальванических элементов «катод – анод» на углеродистых сталях (основного конструкционного материала трубопроводов) при их контакте с электролитами происходит в основном из-за дифференциации поверхности сталей на участки с различными электродными потенциалами (теория локальных коррозионных элементов). Причины дифференциации могут быть различны: 7 неоднородность структуры металла (в углеродистых сталях присутствуют фазы – феррит и цементит, структурные составляющие – перлит, цементит и феррит, имеющие различные электродные потенциалы); 8 наличие на поверхности сталей оксидных пленок, загрязнений, неметаллических включений и т.п; 9 неравномерное распределение окислителя на границе «металл-электролит», например, различные влажность и аэрация на различных участках поверхности металла; 10 неравномерность распределения температуры; 11 контакт разнородных металлов. Сводные данные по Н.Д. Томашову о гальванических коррозионных парах (табл. 2), образование которых возможно на действующих трубопроводах тепловых сетей в присутствии влаги или ее следов, позволяют утверждать, что все случаи ржавления трубопроводов и металлоконструкций тепловых сетей происходят в результате электрохимической коррозии. Основные виды электрохимической коррозии и характер коррозионных повреждений металла В зависимости от условий протекания процесса электрохимической коррозии (вида коррозионной среды) различают атмосферную, почвенную, микробиологическую и жидкостную (кислотную, щелочную, солевую, морскую и пресноводную) коррозию. В зависимости от условий эксплуатации любой из вышеприведенных видов коррозии может протекать при наложении таких эксплуатационных факторов как трение, кавитация, напряжения в металле, воздействие внешних источников постоянного и переменного тока. В таблице 3 представлены возможные виды электрохимической коррозии трубопроводов и емкостного оборудования теплоснабжающих предприятий, а также неблагоприятные эксплуатационные факторы, способствующие возрастанию скорости коррозионных процессов. На рисунках 5-9 приведены наиболее характерные коррозионные повреждения конструкционных углеродистых сталей, вызываемые различными видами электрохимической коррозии. Методы защиты от электрохимической коррозии Защита от электрохимической коррозии представляет комплекс мероприятий, направленных на предотвращение и ингибирование коррозионных процессов, сохранение и поддержание работоспособности оборудования и сооружений в требуемый период эксплуатации. Методы защиты металлоконструкций от коррозии основаны на целенаправленном воздействии, приводящем к полному или частичному снижению активности факторов, способствующих развитию коррозионных процессов. Методы защиты от коррозии можно условно разделить на методы воздействия на металл и методы воздействия на среду, а также комбинированные методы. Классификация методов представлена на рисунке 10. Среди методов воздействия на металл, в практике защиты оборудования и трубопроводов теплоснабжающих организаций наибольшее распространение получили защитные и изолирующие покрытия постоянного действия (полимерные, стеклоэмалевые, металлические цинковые и алюминиевые). Воздействие на коррозионную среду (вода) применяется при защите от внутренней коррозии емкостного оборудования и трубопроводов путем ее ингибирования и деаэрации. В значительной степени снизить скорость коррозионных процессов на трубопроводах можно, применяя электрохимическую защиту. При данном виде защиты электрохимический потенциал трубопровода смещают в необходимую (защитную) область потенциалов (поляризация конструкции) путем его подключения к внешнему источнику тока – станции катодной защиты или протектору. Следует отметить, что вариант защиты для конкретного объекта должен выбираться исходя из анализа условий его эксплуатации. При этом должны учитываться требования к показателям, характеризующим необходимое качество работы объекта, технологические особенности применения выбранного метода (методов) защиты и достигаемый при этом экономический эффект. Усложнение условий эксплуатации оборудования и, в первую очередь, теплопроводов, появление специфических загрязнений воздуха и воды требует постоянного совершенствования методов защиты от коррозии. Основываясь на анализе обобщенной информации о коррозионных повреждениях различного оборудования теплоснабжающих предприятий, можно заключить, что основными направлениями при совершенствовании методов защиты от коррозии в теплоснабжении являются: внедрение антикоррозионных и гидроизоляционных покрытий для наружных поверхностей трубопроводов с улучшенными потребительскими свойствами; применение для горячего водоснабжения труб со стеклоэмалевыми и полимерными внутренними покрытиями; применение комбинированных вариантов защиты с совместным использованием установок электрохимической защиты и защитных покрытий. Таблица 1
Таблица 3.
 
Словосочетания «коррозия металла» заключает в себе намного больше, чем название популярной рок-группы. Коррозия безвозвратно разрушает металл, превращая его в труху: из всего, произведенного в мире железа, 10% полностью разрушится в этот же год. Ситуация с российским металлом выглядит примерно так - весь металл, выплавленный за год в каждой шестой доменной печи нашей страны, становится ржавой трухой еще до конца года. Выражение «обходится в копеечку» в отношении коррозии металла более чем верно - ежегодный ущерб, приносимый коррозией, составляет не менее 4% годового дохода любой развитой страны, а в России сумма ущерба исчисляется десятизначной цифрой. Так что же вызывает коррозийные процессы металлов и как с ними бороться? Что такое коррозия металлов Разрушение металлов в результате электрохимического (растворение во влагосодержащей воздушной или водной среде - электролите) или химического (образование соединений металлов с химическими агентами высокой агрессии) взаимодействия с внешней средой. Коррозийный процесс в металлах может развиться лишь в некоторых участках поверхности (местная коррозия), охватить всю поверхность (равномерная коррозия), или же разрушать металл по границам зерен (межкристаллитная коррозия). Металл под воздействием кислорода и воды становится рыхлым светло-коричневым порошком, больше известным как ржавчина (Fе2O3·H2О). Этот процесс происходит в средах, не являющихся проводниками электрического тока (сухие газы, органические жидкости - нефтепродукты, спирты и др.), причем интенсивность коррозии возрастает с повышением температуры - в результате на поверхности металлов образуется оксидная пленка. Химической коррозии подвержены абсолютно все металлы - и черные, и цветные. Активные цветные металлы (например - алюминий) под воздействием коррозии покрываются оксидной пленкой, препятствующей глубокому окислению и защищающей металл. А такой мало активный металл, как медь, под воздействием влаги воздуха приобретает зеленоватый налет - патину. Причем оксидная пленка защищает металл от коррозии не во всех случаях - только если кристаллохимическая структура образовавшейся пленки сообразна строению металла, в противном случае - пленка ничем не поможет. Сплавы подвержены другому типу коррозии: некоторые элементы сплавов не окисляются, а восстанавливаются (например, в сочетании высокой температуры и давления в сталях происходит восстановление водородом карбидов), при этом сплавы полностью утрачивают необходимые характеристики. Происходит следующее: металлы (сплавы) утрачивают часть атомов (они переходят в электролитический раствор в виде ионов), электроны, замещающие утраченные атомы, заряжают металл отрицательным зарядом, в то время как электролит имеет положительный заряд. Образуется гальваническая пара: металл разрушается, постепенно все его частицы становятся частью раствора. Электрохимическую коррозию могут вызывать блуждающие токи, возникающие при утечке из электрической цепи части тока в водные растворы или в почву и оттуда - в конструкции из металла. В тех местах, где блуждающие токи выходят из металлоконструкций обратно в воду или в почву, происходит разрушение металлов. Особенно часто блуждающие токи возникают в местах движения наземного электротранспорта (например, трамваев и ж/д локомотивов на электрической тяге). Всего за год блуждающие токи силой в 1А способны растворить железа - 9,1 кг, цинка - 10,7 кг, свинца - 33,4 кг. Развитию коррозийных процессов способствуют радиация, продукты жизнедеятельности микроорганизмов и бактерий. Коррозия, вызываемая морскими микроорганизмами, наносит ущерб днищам морских судов, а коррозийные процессы, вызванные бактериями, даже имеют собственное название - биокоррозия. Совокупность воздействия механических напряжений и внешней среды многократно ускоряет коррозию металлов - снижается их термоустойчивость, повреждаются поверхностные оксидные пленки, а в тех местах, где появляются неоднородности и трещины, активируется электрохимическая коррозия. Для минимизации разрушения металлов можно сделать следующее: снизить агрессию среды, окружающей металлическое изделие; повысить устойчивость металла к коррозии; исключить взаимодействие между металлом и веществами из внешней среды, проявляющими агрессию. Человечеством за тысячи лет испробованы многие способы защиты металлических изделий от химической коррозии, некоторые из них применяются по сей день: покрытие жиром или маслом, другими металлами, коррозирующими в меньшей степени (самый древний метод, которому уже более 2 тыс. лет - лужение (покрытие оловом)). Неметаллические покрытия - краски (алкидные, масляные и эмали), лаки (синтетические, битумные и дегтевые) и полимеры образуют защитную пленку на поверхности металлов, исключающую (при своей целостности) контакт с внешней средой и влагой. Применение красок и лаков выгодно тем, что наносить эти защитные покрытия можно непосредственно на монтажной и строительной площадке. Методы нанесения лакокрасочных материалов просты и поддаются механизации, восстановить поврежденные покрытия можно «на месте» - во время эксплуатации, эти материалы имеют сравнительно низкую стоимость и их расход на единицу площади невелик. Однако их эффективность зависит от соблюдения нескольких условий: соответствие климатическим условиям, в которых будет эксплуатироваться металлическая конструкция; необходимость применения исключительно качественных лакокрасочных материалов; неукоснительное следование технологии нанесения на металлические поверхности. Лакокрасочные материалы лучше всего наносить несколькими слоями - их количество обеспечит лучшую защиту от атмосферного воздействия на металлическую поверхность. В роли защитных покрытий от коррозии могут выступать полимеры - эпоксидные смолы и полистирол, поливинилхлорид и полиэтилен. В строительных работах закладные детали из железобетона покрываются обмазками из смеси цемента и перхлорвинила, цемента и полистирола. Защита железа от коррозии покрытиями из других металлов Существует два типа металлических покрытий-ингибиторов - протекторные (покрытия цинком, алюминием и кадмием) и коррозионностойкие (покрытия серебром, медью, никелем, хромом и свинцом). Ингибиторы наносятся химическим способом: первая группа металлов имеет большую электроотрицательность по отношению к железу, вторая - большую электроположительность. Наибольшее распространение в нашем обиходе получили металлические покрытия железа оловом (белая жесть, из нее производят консервные банки) и цинком (оцинкованное железо - кровельное покрытие), получаемые путем протягивания листового железа через расплав одного из этих металлов. Лучшее решение для антикоррозийной защиты - алюминиевое покрытие. Этот металл имеет меньший удельный вес, а значит - меньше расходуется, алюминированные поверхности можно окрашивать и слой лакокрасочного покрытия будет устойчив. Кроме того, алюминиевое покрытие по сравнению с оцинкованным покрытием обладает большей стойкостью в агрессивных средах. Алюминирование слабо распространено из-за сложности нанесения этого покрытия на металлический лист - алюминий в расплавленном состоянии проявляет высокую агрессию к другим металлам (по этой причине расплав алюминия нельзя содержать в стальной ванне). Возможно, эта проблема будет полностью решена в самое ближайшее время - оригинальный способ выполнения алюминирования найден российскими учеными. Суть разработки заключается в том, чтобы не погружать стальной лист в расплав алюминия, а поднять жидкий алюминий к стальному листу. Повышение коррозийной стойкости путем добавления в стальные сплавы легирующих добавок Введение в стальной сплав хрома, титана, марганца, никеля и меди позволяет получить легированную сталь с высокими антикоррозийными свойствами. Особенную стойкость стальному сплаву придает большая доля хрома, благодаря которому на поверхности конструкций образуется оксидная пленка большой плотности. Введение в состав низколегированных и углеродистых сталей меди (от 0,2% до 0,5%) позволяет повысить их коррозийную устойчивость в 1,5-2 раза. Легирующие добавки вводятся в состав стали с соблюдением правила Таммана: высокая коррозийная устойчивость достигается, когда на восемь атомов железа приходится один атом легирующего металла. Для ее снижения необходимо понизить коррозийную активность среды посредством введения неметаллических ингибиторов и уменьшить количество компонентов, способных начать электрохимическую реакцию. Таким способом будет понижение кислотности почв и водных растворов, контактирующих с металлами. Для снижения коррозии железа (его сплавов), а также латуни, меди, свинца и цинка из водных растворов необходимо удалить диоксид углерода и кислород. В электроэнергетической отрасли проводится удаление из воды хлоридов, способных повлиять на локальную коррозию. С помощью известкования почвы можно снизить ее кислотность. Снизить электрокоррозию подземных коммуникаций и заглубленных металлоконструкций возможно при соблюдении нескольких правил:
Защита металлических объектов, снабженных изоляцией, а также стальных конструкций небольшого размера выполняется с помощью протектора, выполняющего функцию анода. Материалом для протектора служит один из активных металлов (цинк, магний, алюминий и их сплавы) - он принимает на себя большую часть электрохимической коррозии, разрушаясь и сохраняя главную конструкцию. Один анод из магния, к примеру, обеспечивает защиту 8 км трубопровода. Виды коррозии Химическая коррозия >>> Электрохимическая коррозия >>> Газовая коррозия >>> Атмосферная коррозия >>> Подземная коррозия >>> Биокоррозия >>> Контактная коррозия >>> Радиационная коррозия >>> Коррозионная кавитация >>> Фреттинг-коррозия >>> Межкристаллитная коррозия >>> Щелевая коррозия >>> Коррозионные процессы классифицируют по механизму взаимодействия металлов с внешней средой; по виду коррозионной среды и условиям протекания процесса; по характеру коррозионных разрушений; по видам дополнительных воздействий, которым подвергается металл одновременно с действием коррозионной среды. По механизму процесса различают химическую и электрохимическую коррозию металлов . Химическая коррозия - это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окислительного компонента среды протекают единовременно в одном акте. Продукты взаимодействия пространственно не разделены.Электрохимическая коррозия - это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой (раствором электролита), при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала. По виду коррозионной среды и условиям протекания различают несколько видов коррозии. Газовая коррозия - это химическая коррозия металлов в газовой среде при минимальном содержании влаги (как правило не более 0,1%) или при высоких температурах. В химической и нефтехимической промышленности такой вид коррозии встречается часто. Например, при получении серной кислоты на стадии окисления диоксида серы, при синтезе аммиака, получении азотной кислоты и хлористого водорода, в процессах синтеза органических спиртов, крекинга нефти и т.д. Атмосферная коррозия - это коррозия металлов в атмосфере воздуха или любого влажного газа. Подземная коррозия - это коррозия металлов в почвах и грунтах. Биокоррозия - это коррозия, протекающая под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов. Контактная коррозия - это вид коррозии, вызванный контактом металлов, имеющих разные стационарные потенциалы в данном электролите. Радиационная коррозия - это коррозия, обусловленная действием радиоактивного излучения. Коррозия внешним током и коррозия блуждающим током . В первом случае - это коррозия металла, возникающая под воздействием тока от внешнего источника. Во втором случае - под воздействием блуждающего тока. Коррозия под напряжением - коррозия, вызванная одновременным воздействием коррозионной среды и механических напряжений. Если это растягивающие напряжения, то может произойти растрескивание металла. Это очень опасный вид коррозии, особенно для конструкций, испытывающих механические нагрузки (оси, рессоры, автоклавы, паровые котлы, турбины и т.д.). Если металлические изделия подвергаются циклическим растягивающим напряжениям, то можно вызвать коррозионную усталость. Происходит понижение предела усталости металла. Такому виду коррозии подвержены рессоры автомобилей, канаты, валки прокатных станов. Коррозионная кавитация - разрушение металла, обусловленное одновременным коррозионным и ударным воздействием внешней среды. Фреттинг-коррозия - это коррозия, вызванная одновременно вибрацией и воздействием коррозионной среды. Устранить коррозию при трении или вибрации возможно правильным выбором конструкционного материала, снижением коэффициента трения, применением покрытий и т.д. Коррозия называется сплошной , если она охватывает всю поверхность металла. Сплошная коррозия может быть равномерной, если процесс протекает с одинаковой скоростью по всей поверхности металла, и неравномерной когда скорость процесса неодинакова на различных участках поверхности. Равномерная коррозия наблюдается, например, при коррозии железных труб на воздухе. Приизбирательной коррозии разрушается одна структурная составляющая или один компонент сплава. В качестве примеров можно привести графитизацию чугуна или обесцинкование латуней. Местная (локальная) коррозия охватывает отдельные участки поверхности металла. Местная коррозия может быть выражена в виде отдельных пятен, не сильно углубленных в толщу металла; язв - разрушений, имеющих вид раковины, сильно углубленной в толщу металла, или точек (питтингов), глубоко проникающих в металл. Первый вид наблюдается, например, при коррозии латуни в морской воде. Язвенная коррозия отмечена у сталей в грунте, а питтинговая - у аустенитной хромоникелевой стали в морской воде. Подповерхностная коррозия начинается на поверхности, но затем распространяется в глубине металла. Продукты коррозии оказываются сосредоточенными в полостях металла. Этот вид коррозии вызывает вспучивание и расслоение металлических изделий. Межкристаллитная коррозия характеризуется разрушением металла по границам зерен. Она особенно опасна тем, что внешний вид металла не меняется, но он быстро теряет прочность и пластичность и легко разрушается. Связано это с образованием между зернами рыхлых малопрочных продуктов коррозии. Этому виду разрушений особенно подвержены хромистые и хромоникелевые стали, никелевые и алюминиевые сплавы. Щелевая коррозия вызывает разрушение металла под прокладками, в зазорах, резьбовых креплениях и т.д. |
Процесс электрохимической коррозии не нуждается в обязательном погружении металла в электролит - достаточно тонкой электролитической пленки на его поверхности (часто электролитические растворы пропитывают среду, окружающую металл (бетон, почву и т.д.)). Наиболее распространенной причиной электрохимической коррозии является повсеместное применение бытовой и технической солей (хлориды натрия и калия) для устранения льда и снега на дорогах в зимний период - особенно страдают автомашины и подземные коммуникации (по статистике, ежегодные потери в США от использования солей в зимний период составляют 2,5 млрд. долларов).
Неизбежными последствиями технического прогресса является загрязнение нашей среды обитания - процесс, ускоряющий коррозию металлов, поскольку внешняя окружающая среда проявляет к ним все большую агрессию. Каких-либо способов полностью исключить коррозийное разрушение металлов не существует, все, что можно сделать, это максимально замедлить этот процесс.