Актуальность коррозионной проблемы определяется тремя основными аспектами:
1) повышением надежности различных объектов в целях предотвращения катастроф и аварий, которые часто сопровождаются человеческими жертвами и загрязнениями окружающей среды;
2) сохранностью мировых ресурсов металлов (металлического фонда), обусловленной ограниченностью их запасов;
3) экономическим, имеющим целью уменьшение материальных потерь в результате коррозии различных машин, резервуаров, трубопроводов, мостов и др. Зачастую косвенные убытки от коррозии во много раз превышают потери за счет растворения металла. Например, замена котла или конденсатора на ТЭЦ наносит существенный ущерб всей энергосистеме, а стоимость потерянного продукта (газа, нефти и др.) из системы с прокорродированными трубами, составляет иногда значительные убытки для соответствующих отраслей промышленности.
Из 87 металлов Периодической системы Д. И. Менделеева — на сегодня 52 вовлечены в среду человеческой деятельности. Не менее 20 из них токсичны и таят серьезную опасность для живых организмов. Примерная оценка загрязнения окружающей среды токсичными металлами приведена в таблице 1.1.
Очевидно, что загрязнение среды, нарушающее экологическое равновесие, вызывает интенсификацию процессов коррозии и появление видов коррозионных разрушений, не характерных для среды с нормальным экологическим равновесием. Образуются взаимосвязанные цепочки процессов такого плана: деятельность человека — нарушение экологического равновесия — интенсивная коррозия машин и оборудования — выбросы газа, нефти, пыли — интенсивная коррозия.
Таблица 1.1
Оценка загрязнения окружающей среды токсичными металлами
|
Источники загрязнения |
Токсичные металлы, тыс. т/год |
||||
|
Cd |
Cu |
Ni |
Pb |
Zn |
|
|
Цветная металлургия |
5,31 |
21,1 |
3,6 |
77,3 |
116,2 |
|
Черная металлургия |
0,07 |
5,9 |
1,2 |
50,3 |
35 |
|
Сжигание отходов и мусора |
1,4 |
5,3 |
3,4 |
8,9 |
37 |
|
Всего от антропогенных источников |
7,3 |
32,3 |
47,4 |
449,4 |
314,4 |
Результаты экономических исследований показали, что переход на новые технологии, особенно в добывающих отраслях, приведет к резкому росту ущерба от коррозии. Также внедрение новых технологий прямо связано с решением проблемы защиты от коррозии.
Выделяют три основные причины, создающие неоднородность в системе металл-электролит, а следовательно, и возникновение коррозионных микроэлементов:
1) Неоднородность металлической фазы (неоднородность сплава по химическому и фазовому составам, наличие примесей в металле, пленок на его поверхности и др.);
2) Неоднородность жидкой фазы (различная концентрация в электролите ионов данного металла и растворенного кислорода на отдельных участках контакта фаз, разница в рН отдельных зон объема электролита и др.);
3) Неоднородность наложения внешних условий (неоднородная температура отдельных участков поверхности металла, различный уровень механических напряжений в одной и той же детали и др.).
В системах возможно возникновение не только микрокоррозионных, но и макрокоррозионных гальванических элементов. Например, при контакте с электролитом двух соприкасающихся друг с другом деталей, изготовленных из металлов различной активности (контактная коррозия).
При погружении металлов в электролит в результате взаимодействия между ними возникает разность электрических потенциалов, что связано с образованием двойного электрического слоя, то есть несимметричного распределения заряженных частиц у границы раздела фаз. Причинами возникновения этого скачка потенциала между металлом и электролитом является:
1) переход заряженных частиц (катионов) из одной фазы в другую (рис 1.) из металла в электролит или наоборот с образованием двойного электрического слоя в пределах этих двух фаз:
Рис. 1. Схема строения двойного электрического слоя
2. Избирательная адсорбция на поверхности металла частиц из жидкой фазы — ионов (например Cl–) или полярных молекул (например Н2О) и появление противоположного заряда в ближайшем слое электролита с образованием двойного электрического слоя в пределах одной (жидкой) фазы рис 2:
Рис. 2. Схема строения двойного электрического слоя
3. Образование двойного слоя, обусловленного обеими причинами, т.е адсорбционной — ионного скачка потенциала (например, при адсорбции анионов, или при адсорбции поляризуемых молекул или атомов, например, кислорода) на поверхности металла в условиях на линия перехода катионов из металла в электролит или из электролита в металл рис 3.
Рис. 3. Схема строения двойного электрического слоя
Как известно из физической химии, скачок потенциала между двумя фазами не может быть измерен, но можно измерить Электра движущую силу элемента, составленного из исследуемого раствора (например, Ме в электролите) и электрода, потенциал которого условно принят за нуль (стандартного водородного электрода). Эту ЭДС принято называть электродным потенциалом металла.
Защита от коррозии — это комплекс мер, закладывающийся на стадии конструирования, осуществляемых в процессе изготовления и проводимых в ходе эксплуатации различных машин и конструкций. В связи с этим защиту можно осуществлять путем воздействия либо на материал, либо на конструкцию, либо на саму коррозионную среду. Выбор способа защиты определяется его эффективностью и экономической целесообразностью.
Все способы защиты можно условно подразделить на следующие направления:
1) рациональное конструирование изделий;
2) легирование металлических материалов;
3) изменение свойств коррозионной среды;
4) электрохимическая защита;
5) защитные покрытия и консервация.
Рациональное конструирование изделий. Первым и обязательным этапом защиты изделий является их рациональное конструирование. Оно относится к мерам борьбы с коррозией, направленным на воздействие на материал и саму конструкцию изделия и предусматривает учет следующих факторов:
а) правильный выбор материала изделия или конструкции:
‒ во-первых, материал должен быть стоек в данной коррозионной среде;
‒ во-вторых, исключить использование без пропитки или изоляции неметаллических материалов (войлок, древесина, асбест и т. п.), способных впитывать влагу и таким образом создавать условия для протекания электрохимической коррозии;
‒ в-третьих, отказаться от тех полимерных материалов, которые при старении, соприкасаясь с водой, выделяют коррозионно-активные агенты, усугубляющие коррозию;
б) рациональное сочетание и компоновка в одном узле деталей из различных материалов. Без изоляции или разделения диэлектриками соприкасающихся поверхностей нельзя сочетать в одном узле детали из металлов, сильно отличающихся по величине электродных потенциалов ввиду опасности возникновения контактной коррозии. Все металлы разделяют на 5 групп: 1- Mg; 2-Zn; Al; Cd; 3-Fe; Pb; Sn; углеродистые стали, 4-Ni; Cr, хромистые стали; 5- Ag; Cu, медно никелевые стали. Допустимым считается контакт металлов, входящих в одну группу. Металлы каждой последующей группы усиливают коррозию металлов предыдущей;
в) оптимальная форма деталей (с проветриваемыми полостями и дренажными отверстиями). Отсутствие либо минимум коррозионное опасных участков (канавок, углублений, пазов, узких щелей и др.), в которых скапливалась бы влага;
г) минимальная слитность сечения (отношений периметра сечения к его площади) у конструкций и характер соединения элементов в них. Слитность сечения характеризует поверхность, соприкасающуюся с коррозионной средой. Дешевизна изделий из углов и швеллеров находится в противоречии с их устойчивостью к коррозии. Сварные соединения предпочтительнее клепаных и болтовых, которые ведут к возникновению внутренних напряжений и пор;
д) возможность нанесения и возобновления различных покрытий в процессе эксплуатации изделия и при его ремонте.
Легирование металлических материалов. Легирование или модифицирование металлических материалов является эффективным процессом повышения их стойкости к воздействию агрессивных сред как при обычных, так и при повышенных температурах. Однако он относительно дорог и применяется тогда, когда материал конструкции не позволяет использовать другие способы защиты. Сущность легирования состоит в том, что в сплавы или металлы, из которых изготавливаются изделия, вводят легирующие компоненты (металлы, неметаллы), вызывающие их пассивацию.
Различают объемное (металлургическое) и поверхностное (ионное) легирование. Легированию подвергают железо, алюминий, титан, медь, магний, кадмий, цинк а также сплавы на их основе. Объемное легирование осуществляют на стадии выплавки конструкционных материалов. В результате чего получают сплавы с более коррозионной стойкостью, чем сами металлы. Эти сплавы обладают одновременно жаростойкостью и жаропрочностью.
Изменение свойств коррозионной среды. К коррозионным средам относятся вода и водные растворы кислот, щелочей, солей, органические жидкости, почва, атмосфера. Уменьшить их агрессивность можно путем изменения состава и свойств (введение в них ингибиторов, либо соответствующей их обработкой).
Обработка коррозионной среды. В случае электрохимической коррозии она сводится к уменьшению содержания деполяризаторов в растворах электролитов. Это достигается путем нейтрализации кислотных растворов, вызывающих коррозии с водородной деполяризацией, или удаление кислорода из нейтральных и щелочных растворов, в которых она протекает с кислородной деполяризацией. Кислотные растворы нейтрализуют добавлением в них щелочных агентов: NaOH, CaO и др.
Защита от газовой коррозии. Для защиты металлов от наиболее распространенного и вредного вида химической коррозии — газовой коррозии существуют следующие основные методы:
1) жаростойкое легирование, т. е. введение в сплав компонентов, повышающих жаростойкость;
2) защитные покрытия, т. е. нанесение на поверхность металлических конструкций защитного металлического или неметаллического слоя;
3) защитные или контролируемые атмосферы, т. е. искусственно создаваемые газовые атмосферы. Этот метод применяется главным образом при термообработке металлов;
4) уменьшение окисления металлов, достигаемое различными путями.
Литература:
- Н. К. Кофанова «Коррозия и защита металлов». Учебное пособие. Для студентов технических специальностей. Украина. Алчевск, 2003.
- Жук Н. П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М., 1976.
- Мустафин Ф. М., Кузнецов М. в., Быков Л. И. Защита от коррозии. Т. 1. Уфа: Дизайн Полиграф Сервис, 2004. — 806 с.
