Электрохимическая коррозия нержавеющей стали - GazSnabStroy.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Электрохимическая коррозия нержавеющей стали

Коррозия нержавеющей стали

Говоря о коррозии, можно обозначить данный процесс как нарушение структуры материала под воздействием физико-химических проявлений окружающей среды или химически агрессивных сред, с которыми любой конструкционный материал контактирует в процессе эксплуатации.

Наиболее распространенной разновидностью коррозии является коррозия металлов, среди которых особо подвержено данному разрушающему процессу железо — базовый химический элемент в составе стали. Для улучшения конструкционной прочности, физических и химических характеристик, сопротивляемости коррозии, сталь подвергают легированию, что подразумевает введение в состав ферритового сплава дополнительных химических элементов, таких как хром, никель, вольфрам, марганец, молибден, титан и прочих.

Краткая характеристика нержавеющей стали

Сталь, легированная хромом, называется нержавеющей сталью и характеризуется наличием оксидной пленки хрома, способной противостоять различным воздействиям и самостоятельно восстанавливаться под воздействием кислорода. Нержавеющая сталь производится двух типов: 304 тип содержит 18% хрома и 10% никеля; 316 тип содержит 17% хрома, 11% никеля и 2% молибдена. Включение никеля в состав нержавеющей стали, придает ей дополнительные прочностные свойства, а молибден улучшает стойкость стали под влиянием агрессивных жидкостей. Коррозия нержавеющей стали происходит вследствие нарушения слоя оксида хрома, что вызывает окисление незащищенной ферритовой составляющей с образованием оксида железа бурого цвета.

Классификация видов коррозии нержавеющей стали

В зависимости от процессов, приводящих к разрушению нержавеющей стали, и условий их протекания, коррозия бывает следующих видов:

щелевая;
контактная;
под напряжением;
при трении;
при погружении — полном, неполном, переменном;
прочие.

Виды коррозии по типу сред, воздействующих на поверхность нержавеющей стали:

коррозия в электролитах;
коррозия в не электролитах;
коррозия в атмосфере;
коррозия в газовой среде;
прочие.

Исходя из объема и локализации разрушения нержавеющей стали, коррозия подразделяется на:

сплошную — равномерную и неравномерную;
местную — точечную, сквозную, структурную, расслаивающуюся, ножевую и другие.

Наиболее часто применяется классификация коррозии нержавеющей стали на химическую и электрохимическую, в зависимости от механизма протекания процесса разрушения.

Способы защиты нержавеющей стали от коррозии

Конструктивный метод

Действенным методом борьбы с коррозией нержавеющей стали выступает, так называемый, конструктивный метод, заключающийся в проектировании такой конструкции из нержавеющей стали, чтобы узлы сочленения деталей были максимально защищены от попадания активных сред на поверхность стали с нарушенным слоем из оксида хрома. Для защиты мест соприкосновения конструктивных узлов от ржавления, применяются уплотняющие элементы и герметики.

При креплении деталей из нержавеющей стали методом сварки с последующей зачисткой швов, происходит истирание слоя оксида хрома, что приводит к появлению ржавчины в ходе эксплуатации изделия, поэтому сварные швы требуют обработки специальными грунтовками.

Контакт углеродистой стали с поверхностью нержавеющей также может повлечь образование ржавчины. Из углеродистой стали изготавливают различные крепежные элементы — болты, гайки. шпильки, которые необходимо изолировать от поверхности нержавеющей стали уплотнительными деталями.

Возникновение и быстрый прогресс процесса ржавления наблюдается при повышенных температурах и воздействии горячего пара на изделие из нержавеющей стали. Большому риску образования ржавчины также подвержены вращающиеся в водной среде детали механизмов, изготовленные из нержавеющей стали. Ударная волна, возникающая при работе, например, лопастей электро-насоса, выбивает микрочастицы оксида хрома с поверхности нержавеющей стали, что способствует выпаданию ржавчины на поверхности нержавеющей стали. Правильный подбор мощности оборудования, работающего в пределах критичных скоростей вращения, обезопасит детали из нержавеющей стали от возникновения ржавчины.

Выбор правильного метода обработки

Дополнительным методом в комплексе мер по предупреждению ржавления изделий из нержавеющей стали является правильный подбор метода ее обработки. Поверхность нержавеющей стали, обработанная электрическими методами полировки, более устойчива к ржавлению, чем в тех случаях, когда применяется механическая полировка. В результате полировки с применением механических средств, поверхность нержавеющей стали под слоем оксида хрома более шероховата, что приводит к образованию ржавчины при малейшем повреждении защитной пленки.

Самым разрушающим воздействием на нержавеющую сталь, как и на любой другой материал, обладает водная среда в виде влаги, осадков, конденсата. Особенно разрушительным для нержавеющей стали является содержание производных хлора в воде. Очистка, фильтрация и умягчение воды снижает риск ржавления нержавеющей стали, соприкасающейся с данной средой.

Первичная ржавчина, образовавшаяся на нержавеющей стали может быть удалена промыванием чистой водой. Удаление более выраженной ржавчины с поверхности нержавеющей стали можно выполнять методом шлифовки и полировки, а при еще более глубоком поражении поверхности нержавеющей стали ржавчиной, применяется вытравливание кислотами — лимонной либо щавелевой.

Коррозия нержавеющей стали

Нержавеющая сталь противостоит коррозии (не ржавеет) благодаря наличию тонкой оксидной пленки на поверхности. Эта пленка, в основном — окись хрома, очень легко образуется в окислительной среде, например, в воздухе (кислород — замечательный окислитель), и защищает нижележащий металл от коррозии. Металл, защищенный таким образом, называют пассивированным. Очень важно, чтобы оксидная пленка сохраняла свою целостность, не имела пор, трещин и т. п., в противном случае на незащищенных участках будет идти коррозия. Поверхность должна быть свободна от окалины, остатков шлака и т. д. Если пленка повреждена и условия не благоприятствуют ее образованию (например , нет доступа кислорода), поверхность металла остается незащищенной и может корродировать.

Следующие виды коррозии возникают чаще всего:

  • Коррозийная деформация сварного шва. возникает при сваривании нержавеющих труб. после интенсивного нагрева при сварке изменяется состава поверхностного слоя металла, может разрушиться оксидная пленка.
    Как избегать: избегать сварки нержавеющих труб. если сварка неизбежна — обрабатывать место сварки так чтобы заново сформировать защитную пленку (пассивировать место сварки).
  • Щелевая коррозия. «Щель » в данном случае — это пространство под всевозможными отложениями (песка , ила и т.д.), под шайбами, прокладками и т.д. — иначе говоря, место, из которого попавшая туда влага не может найти выхода и где образовалась застойная зона.
    Как избегать: ограничить доступ влаги в «щели », вовремя удалять образующиеся отложения и обеспечить хорошую вентиляцию «сомнительных » мест.
  • Электрохимическая коррозия (гальваническая ). Два металла с разными электрохимическими потенциалами (нержавеющая сталь и, например, аллюминий, обычная сталь или медь) помещенные в электролит (в водопроводной воде растворено достаточно солей чтобы считать ее электролитом) и соединенные друг с другом дают электрический ток (то же самое происходит внутри гальванического элемента, внутри самой обычной батарейки). Сам ток это не проблема. Проблема в том что один из металлов, тот у которого электрохимический потенциал больше — разрушается. Степень разрушения тем больше чем больше разница электрохимических потенциалов металлов.
  • Как избегать: не использовать металлы с разным электрохимическим потенциалами в одной конструкции. например делать всю конструкцию из одного матерала. Если два металла всё таки используются — избегать их электрического контакта друг с другом. Еще вариант — использовать металлы с близкими электрохимическими потенциалами, например нержавеющая сталь и бронза.
  • Углеродистая коррозия (разновидность гальванической), когда контактируют обычная и нержавеющая сталь (у них разные электрохимические потенциалы). Нержавеющая сталь в результате контакта с «ржавеющими » сталями сама начинает ржаветь.
    Как избегать: не монтировать изделия из нержавеющей стали вместе с изделиями из «обычной » стали. Нельзя пользоваться одним инструментом в работе с нержавеющей и «ржавеющими » сталями, без надлежащей очистки.
  • Коррозия от блуждающих токов. Начнем с того что при правильном монтаже всех элементов отопления и водопровода блуждающих токов быть не должно! Правильный монтаж — это заземление всех металлических элементов (батареи отопления, полотенцесушители, раковины, ванны, смесители). Например: каждая металлическая ванна в советское время заземлялась на водоровод отдельным проводником, т.к. иначе у нее не было контакта с водопроводной трубой.

    И всё таки — как эти блуждающие токи могут образовываться? Представьте себе полотенцесушитель из нержавеющей стали подключенный металлопластиковыми/пластиковыми трубами. При движении вода за счет трения о стенки (диэлектрик ) электризуется, и статический заряд накапливается на металлических элементах, получается своего рода конденсатор (если бы трубы были металлическими, проводящими, заряд бы не накапливался). Что происходит дальше — этот конденсатор разряжается, идет небольшой ток, и один из металлов начинает разрушаться, так же как и при электрохимической коррозии.
    Как избегать: заземлять ВСЕ металлические элементы системы. особенно при использовании пластиковых труб.

  • Коррозия от токов утечки в водопроводных трубах и трубах отопления (ток утечки это не блуждающий ток, это другое). По какой-то причине ток проходит через трубу из нержавеющей стали и сталь разрушается, как и при электрохимической коррозим.
    Опять же при правильном монтаже ток по трубам идти не должен! И всё таки, ток может идти по трубам если подключил заземление электроприбора к стояку. Это опасно в первую очередь не из за коррозии а из за опасности для жизни — представьте что стояк рассоединили во время ремонта, и заземление отсутствует. Ток может идти по трубам из за неисправностей системы заземления, зануления и уравнивания потенциалов.
    Как избегать: Не использовать водопроводные трубы и трубы отопления в качестве заземления электроприборов. Правильно монтировать систему заземления, зануления и уравнивания потенциалов. Использовать дифференциальные автоматы защитного отключения (УЗО ), реагирующие на токи утечки силой до 30 миллиампер.

Коррозия металлов

Коррозия – разрушение поверхности сталей и сплавов под воздействием различных физико-химических факторов – наносит огромный ущерб деталям и металлоконструкциям. Ежегодно этот невидимый враг «съедает» около 13 млн. т металла. Для сравнения – металлургическая промышленность стран Евросоюза в прошлом, 2014 году произвела всего на 0,5 млн. тонн больше. И это только – прямые потери. А длительная эксплуатация стальных изделий без их эффективной защиты от коррозии вообще невозможна.

Что такое коррозия и её разновидности

Основной причиной интенсивного окисления поверхности металлов (что и является основной причиной коррозии) являются:

  1. Повышенная влажность окружающей среды.
  2. Наличие блуждающих токов.
  3. Неблагоприятный состав атмосферы.

Соответственно этому различают химическую, трибохимическую и электрохимическую природу коррозии. Именно они в совокупности своего влияния и разрушают основную массу металла.

Химическая коррозия

Такой вид коррозии обусловлен активным окислением поверхности металла во влажной среде. Безусловным лидером тут является сталь (исключая нержавеющую). Железо, являясь основным компонентом стали, при взаимодействии с кислородом образует три вида окислов: FeO, Fe2O3 и Fe3O4. Основная неприятность заключается в том, что определённому диапазону внешних температур соответствует свой окисел, поэтому практическая защита стали от коррозии наблюдается только при температурах выше 10000С, когда толстая плёнка высокотемпературного оксида FeO сама начинает предохранять металл от последующего образования ржавчины. Это процесс называется воронением, и активно применяется в технике для защиты поверхности стальных изделий. Но это – частный случай, и таким способом активно защищать металл от коррозии в большинстве случаев невозможно.

Химическая коррозия активизируется при повышенных температурах. Склонность металлов к химическому окислению определяется значением их кислородного потенциала – способности к участию в окислительно-восстановительных реакциях. Сталь – ещё не самый худший вариант: интенсивнее её окисляются, в частности, свинец, кобальт, никель.

Электрохимическая коррозия

Эта разновидность коррозии более коварна: разрушение металла в данном случае происходит при совокупном влиянии воды и почвы на стальную поверхность (например, подземных трубопроводов). Влажный грунт, являясь слабощёлочной средой, способствует образованию и перемещению в почве блуждающих электрических токов. Они являются следствием ионизации частиц металла в кислородсодержащей среде, и инициирует перенос катионов металла с поверхности вовне. Борьба с такой коррозией усложняется труднодоступностью диагностирования состояния грунта в месте прокладки стальной коммуникации.

Электрохимическая коррозия возникает при окислении контактных устройств линий электропередач при увеличении зазоров между элементами электрической цепи. Помимо их разрушения, в данном случае резко увеличивается энергопотребление устройств.

Трибохимическая коррозия

Данному виду подвержены металлообрабатывающие инструменты, которые работают в режимах повышенных температур и давлений. Антикоррозионное покрытие резцов, пуансонов, фильер и пр. невозможно, поскольку от детали требуется высокая поверхностная твёрдость. Между тем, при скоростном резании, холодном прессовании и других энергоёмких процессах обработки металлов начинают происходить механохимические реакции, интенсивность которых возрастает с увеличением температуры на контактной поверхности «инструмент-заготовка». Образующаяся при этом окись железа Fe2O3 отличается повышенной твёрдостью, и поэтому начинает интенсивно разрушать поверхность инструмента.

Методы борьбы с коррозией

Выбор подходящего способа защиты поверхности от образования ржавчины определяется условиями, в которых работает данная деталь или конструкция. Наиболее эффективны следующие методы:

  • Нанесение поверхностных атмосферостойких покрытий;
  • Поверхностная металлизация;
  • Легирование металла элементами, обладающими большей стойкостью к участию в окислительно-восстановительных реакциях;
  • Изменение химического состава окружающей среды.

Механические поверхностные покрытия

Поверхностная защита металла может быть выполнена его окрашиванием либо нанесением поверхностных плёнок, по своему составу нейтральных к воздействию кислорода. В быту, а также при обработке сравнительно больших площадей (главным образом, подземных трубопроводов) применяется окраска. Среди наиболее стойких красок – эмали и краски, содержащие алюминий. В первом случае эффект достигается перекрытием доступа кислороду к стальной поверхности, а во втором – нанесением алюминия на поверхность, который, являясь химически инертным металлом, предохраняет сталь от коррозионного разрушения.

Положительными особенностями данного способа защиты являются лёгкость его реализации и сравнительно небольшие финансовые затраты, поскольку процесс достаточно просто механизируется. Вместе с тем долговечность такого способа защиты невелика, поскольку, не обладая большой степенью сродства с основным металлом, такие покрытия через некоторое время начинают механически разрушаться.

Химические поверхностные покрытия

Коррозионная защита в данном случае происходит вследствие образования на поверхности обрабатываемого металла химической плёнки, состоящей из компонентов, стойких к воздействию кислорода, давлений, температур и влажности. Например, углеродистые стали обрабатывают фосфатированием. Процесс может выполняться как в холодном, так и в горячем состоянии, и заключается в формировании на поверхности металла слоя из фосфатных солей марганца и цинка. Аналогом фосфатированию выступает оксалатирование – процесс обработки металла солями щавелевой кислоты. Применением именно таких технологий повышают стойкость металлов от трибохимической коррозии.

Недостатком данных методов является трудоёмкость и сложность их применения, требующая наличия специального оборудования. Кроме того, конечная поверхность изменяет свой цвет, что не всегда приемлемо по эстетическим соображениям.

Легирование и металлизация

В отличие от предыдущих способов, здесь конечным результатом является образование слоя металла, химически инертного к воздействию кислорода. К числу таких металлов относятся те, которые на линии кислородной активности находятся возможно дальше от водорода. По мере возрастания эффективности этот ряд выглядит так: хром→медь→цинк→серебро→алюминий→платина. Различие в технологиях получения таких антикоррозионных слоёв состоит в способе их нанесения. При металлизации на поверхность направляется ионизированный дуговой поток мелкодисперсного напыляемого металла, а легирование реализуется в процессе выплавки металла, как следствие протекания металлургических реакций между основным металлом и вводимыми легирующими добавками.

Изменение состава окружающей среды

В некоторых случаях существенного снижения коррозии удаётся добиться изменением состава атмосферы, в которой работает защищаемая металлоконструкция. Это может быть вакуумирование (для сравнительно небольших объектов), или работа в среде инертных газов (аргон, неон, ксенон). Данный метод весьма эффективен, однако требует дополнительного оборудования – защитных камер, костюмов для обслуживающего персонала и т.д. Используется он главным образом, в научно-исследовательских лабораториях и опытных производствах, где специально поддерживается необходимый микроклимат.

Кто нам мешает, тот нам поможет

В завершение укажем и на довольно необычный способ коррозионной защиты: с помощью самих окислов железа, точнее, одного из них – закиси-окиси Fe3O4. Данное вещество образуется при температурах 250…5000С и по своим механическим свойствам представляет собой высоковязкую технологическую смазку. Присутствуя на поверхности заготовки, Fe3O4 перекрывает доступ кислороду воздуха при полугорячей деформации металлов и сплавов, и тем самым блокирует процесс зарождения трибохимической коррозии. Это явление используется при скоростной высадке труднодеформируемых металлов и сплавов. Эффективность данного способа обусловлена тем, что при каждом технологическом цикле контактные поверхности обновляются, а потому стабильность процесса регулируется автоматически.⁠

Защита от химической и электрохимической коррозии

Электрохимическая коррозия – это самый распространенный вид повреждения, поражающий металлы. Расскажем о методах анодной защиты металлов, отличиях от химической коррозии.

Больше всего металлы боятся коррозии. Она способна привести в негодность самые прочные конструкции. Огромные мосты, линии электропередач, километровые трубопроводы становятся беспомощными перед разрушающим процессом. Чтобы повреждения не допустить, металл защищают. Но важно понимать, что бывает несколько видов окисления. Электрохимическая коррозия, химическая или газовая – все они похожи по следствиям, но эффективными методами защиты от каждого вида будут свои индивидуальные мероприятия, зависящие от многих факторов.

Коррозия электрохимического плана наиболее часто поражает металлы. Это связано с тем, что они, как правило, неустойчивы термодинамически в среде, которая их окружает, а последняя чаще представляет обычный электролит, то есть проводник. Поэтому за счет металла коррозионная среда стремится к восстановлению путем переноса частиц через электрический ток.

Суть, причины и признаки химической коррозии

Для возникновения химической коррозии нужно не так уж много: металл и соответствующая коррозионная среда. Причины большой вероятности появления окисления – это неустойчивое термодинамическое состояние металла и стремление его перейти к более устойчивому состоянию. Словесной формулой это можно выразить следующим образом:

Исходный металл + среда окислительного характера = протеканию реакции = результату в виде ржавчины.

Основной признак химической коррозии – окислительная среда – не является электролитом как при электрохимической, то есть окислительно-восстановительные процессы имеют чисто химический подтекст. Химическая коррозия бывает двух видов:

  • та, которая протекает в газовой среде, когда температура вокруг очень высока;
  • второй вид химической коррозии связан с жидкостями.

Для идеальной защиты от коррозии необходимо проводить мероприятия комбинированной защиты, так как в реальности на металл воздействует одновременно и электрохимическое, и химическое окисление.

Отличия химической коррозии от электрохимической

Под процессом электрохимической коррозии понимают окислительно-восстановительную реакцию коррозионной среды за счет электронов металла, которые отнимаются у него под воздействием электрического потенциала, возникающего в электролите, коим является эта окислительная среда. Ионизация сопровождается разрушением той части, которая непосредственно контактирует со средой, а ржавчина, видимая невооруженным глазом, не что иное, как восстановленная коррозионная среда.

  1. Сущностью электрохимической коррозии является процесс, протекающий в электролите, и это главное.
  2. В электрохимической обязательно присутствует электрический ток, чего нет при химическом окислении.
  3. Электрохимическая коррозия характеризуется не одномоментным переходом частиц от металла к окислительному компоненту, а определяется величиной потенциала. То есть, чем потенциал выше, тем больше скорость движения частиц и быстрее восстановительный процесс коррозионной среды. При химическом же процессе разрушение вещества сопровождается одновременным восстановлением коррозионной среды.

Выделяют следующие виды электрохимической коррозии:

  1. Межкристаллитная. Электрохимическое явление, когда у алюминия, никеля, иных элементов наблюдается разрушение зерна по его границе, и происходит это избирательно. В результате конструкция теряет свою прочность, ухудшаются свойства пластичности. Опасность в том, что этот электрохимический процесс визуально может быть незаметен.
  2. Питтинговая. Проявляется как поражение точечных участков на таких элементах, как медь, ее сплавы и другие. Размер отдельных участков, где проявляется коррозия, обычно не превышает 1.5 миллиметров. Электрохимический питтинг бывает поверхностного типа, а также открытый и закрытый.
  3. Щелевая. Опасный вид электрохимической коррозии, сопровождающийся быстрым усиленным разрушением областей, где есть микротрещины, зазоры либо щели. Коррозия может протекать при любом состоянии окружающей среды.

Протекторная защита от электрохимической коррозии

Анодную защиту нужно периодически возобновлять, ведь «жертвенный металл» в процессе эксплуатации также очень сильно разрушается, особенно если он не совсем правильно подобран для работы в конкретной среде.

Основные случаи, когда применение протекторной защиты будет оправдано:

  1. Недостаточно средств на проведение более дорогостоящих защитных мероприятий.
  2. Если защитой нужно обеспечить конструкции из металла небольших габаритов.
  3. Когда трубопроводы имеют дополнительную поверхностную изоляцию.

Такую защиту от электрохимической коррозии, как протекторная, применяют, в основном, к разным маркам стали. Здесь уместным будет использование протекторов на основе кадмия, алюминия, магния, хрома, цинка, но используется не чистый элемент, а сплавы.

Цинковые протекторы

  • до 0.15% кадмия при минимально возможном процентном соотношении в 0.025%;
  • до 0.5% алюминия;
  • примеси железа, свинца и меди, общей суммой не превышающие 0.005%.

Наиболее эффективное применение цинка выявлено в морской воде, где с помощью таких протекторов успешно работает защита, например, газовых или нефтяных магистралей. Плюс цинка еще в том, что он допустим к использованию со взрывоопасными веществами. Когда происходит растворение анода, не наблюдается выделения загрязняющих веществ, которые могут навредить экологии.

Применение цинковых протекторов в водоемах, где вода имеет пресный состав либо в грунте под землей сопровождается быстрым образованием на поверхности протектора таких соединений, как оксиды и гидроксиды, которые приводят к торможению электрохимического процесса окисления анода, и фактически прекращается защита основного металла от электрохимической коррозии.

Установка цинкового протектора на днище корабля:

Магниевые протекторы

  • максимум 5%, минимум 2% цинка;
  • максимум 7%, минимум 5% алюминия;
  • небольшое содержание меди, никеля и свинца, не более десятых долей процента.

Протекторы из магния хороши, когда среда, в которой они применяются, имеет pH не выше 10.5, что соответствует грунтам обычного характера, водным объектам со слабосоленой акваторией либо попросту пресной воде. Для защиты подходят любые трубопроводы и металлоконструкции, находящиеся в описанных выше условиях. Применение магния в агрессивных соленых растворах сопровождается быстрым образованием плохо растворимой пленки на его поверхности.

В некоторых случаях магниевые протекторы влияют на металл таким образом, что последний становится более хрупким, и в теле конструкции могут образовываться трещины. Прежде чем применять магний для защиты от электрохимической коррозии конкретной марки стали, нужно провести дополнительные исследования, чтобы избежать негативных последствий.

Алюминиевые протекторы

Целевое назначение протекторов из алюминия – работать в качестве защиты от электрохимической коррозии в средах с водой проточной с соленым составом, например, в прибрежных морских водах. В составе сплава протектора из алюминия имеются:

  • примеси индия, кадмия, кремния не более 0.02%;
  • цинка – до 8%;
  • магния – до 5%.

Благодаря этим дополнительным металлам нет возможности появления на протекторе жесткой, задерживающей растворение пленки. Допустимо применять алюминиевый протектор и в средах, подходящих для магниевого протектора.

Способы защиты металлов от химической коррозии

  1. Метод конструкционного решения проблемы. Он связан с тем, чтобы использовать сплавы, которые имеют очень высокую устойчивость к коррозии, либо применять биметаллические композиции, где основной конструкционный металл покрыт тонким слоем устойчивого соединения (например, оцинковку).
  2. Метод улучшения среды, где будет эксплуатироваться изделие, путем изменения pH, нейтрализации агрессивных составляющих коррозионной среды.
  3. Метод пассивной защиты, наиболее известный тем, что доступ к поверхности конструкции в коррозионной среде блокируется пленкой из неактивного и не вступающего в реакцию материала. Это покрытие разного рода лакокрасочными компонентами для защиты от коррозии.

Если вы сталкивались с электрохимической коррозией, имеете профильное образование, ориентируетесь в вопросах защиты металла, получили практические навыки по организации протекторной защиты металлоконструкций либо применяли метод катодной защиты, поделитесь своими знаниями в комментариях.

Электрохимическая коррозия и защита от нее

Коррозией называют процесс самопроизвольного разрушения поверхности материалов вследствие взаимодействия с окружающей средой. Ее причиной является термодинамическая неустойчивость химических элементов к определенным веществам. Формально коррозии подвержены полимеры, дерево, керамика, резина, но к ним чаще применяют термин «старение». Наиболее серьезный ущерб наносит ржавление металлов, для защиты которых разрабатываются высокотехнологичные контрмеры. Но об этом мы поговорим позже. Учеными различается коррозия металлов химическая и электрохимическая.

Химическая коррозия

Она возникает обычно при воздействии на металлическую структуру сухих газов, жидкостей или растворов, не проводящих электрический ток. Суть этого типа коррозии – прямое взаимодействие металла с агрессивной средой. Элементы химически корродируют во время термической обработки или в результате длительной эксплуатации при достаточно высоких температурах. Это касается лопаток газовых турбин, арматуры плавильных печей, деталей двигателей внутреннего сгорания и так далее. В результате на поверхности образуются определенные соединения: оксиды, нитриды, сульфиды.

Электрохимическая коррозия

Она является следствием контакта металла с жидкой средой, способной проводить электрический ток. Вследствие окисления материал претерпевает структурные изменения, приводящие к образованию ржавчины (нерастворимого продукта), либо частицы металла переходят в раствор ионов.

Электрохимическая коррозия: примеры

Ее разделяют на:

  • Атмосферную, которая возникает при наличии на поверхности металла жидкостной пленки, в которой газы, содержащиеся в атмосфере (например, О2, СО2, SO2), способны растворяться с образованием электролитных систем.
  • Жидкостную, которая протекает в токопроводящей жидкой среде.
  • Грунтовую, что протекает под воздействием грунтовых вод.

Причины

Поскольку обычно любой металл, который используется для промышленных нужд, не является идеально чистым и содержит включения различного характера, то электрохимическая коррозия металлов возникает вследствие образования на поверхности железа большого количества короткозамкнутых локальных гальванических элементов.

Появление их может быть связано не только с наличием различных (особенно металлических) примесей (контактная коррозия), но и с неоднородностью поверхности, дефектами кристаллической решетки, механическими повреждениями и тому подобное.

Механизм взаимодействия

Процесс электрохимической коррозии зависит от химического состава материалов и особенностей внешней среды. Если так называемый технический металл покрыт влажной пленкой, то в каждом из указанных гальванических микроэлементов, которые образуются на поверхности, протекают две независимые реакции. Более активный компонент коррозионной пары отдает электроны (к примеру, цинк в паре Zn-Fe) и переходит в жидкую среду в качестве гидратированных ионов (то есть корродирует) по следующей реакции (анодный процесс):

Эта часть поверхности является отрицательным полюсом локального микроэлемента, где металл электрохимически растворяется.

На менее активном участке поверхности, которая является положительным полюсом микроэлемента (железо в паре Zn-Fe), электроны связываются за счет протекания реакции восстановления (катодный процесс) по схеме:

Таким образом, наличие окислителей в водяной пленке, которые способны связывать электроны, обеспечивает возможность дальнейшего хода анодного процесса. Соответственно, электрохимическая коррозия может развиваться только при условии одновременного протекания как анодного, так и катодного процессов. Вследствие торможения одного из них скорость окисления уменьшается.

Процесс поляризации

Оба вышеуказанных процесса вызывают поляризацию соответствующих полюсов (электродов) микроэлемента. Какие здесь есть особенности? Обычно электрохимическая коррозия металлов более существенно замедляется поляризацией катода. Поэтому она будет усиливаться под влиянием факторов, которые предотвращают эту реакцию и сопровождаются так называемой деполяризацией положительного электрода.

Во многих коррозионных процессах катодная деполяризация осуществляется разрядом ионов водорода либо восстановлением молекул воды и соответствует формулам:

Диапазон потенциалов

Потенциал, который соответствует этим процессам, в зависимости от природы агрессивной среды, может изменяться от -0,83 до 0 В. Для нейтрального водного раствора при температурах, близких к стандартной, он равен примерно -0,41 В. Следовательно, ионы водорода, содержащиеся в воде и в нейтральных водных системах, могут окислять только металлы с потенциалом, меньшим, чем -0,41 В (расположенные в ряду напряжений до кадмия). Учитывая то, что некоторые из элементов защищены оксидной пленкой, число металлов, подверженных окислению в нейтральных средах ионами водорода, незначительное.

Если влажная пленка содержит растворенный кислород воздуха, то он способен, в зависимости от характера среды, связывать электроны эффектом кислородной деполяризации. В этом случае схема электрохимической коррозии выглядит следующим образом:

Потенциалы указанных электродных реакций при температурах, близких к стандартной, изменяются от 0,4 В (щелочная среда) до 1,23 В (кислая среда). В нейтральных средах потенциал процесса восстановления кислорода при указанных условиях соответствует значению 0,8 В. Значит, растворенный кислород способен окислять металлы с потенциалом меньше 0,8 В (расположенные в ряду напряжений до серебра).

Важнейшие окислители

Виды электрохимической коррозии характеризуются окислительными элементами, важнейшими из которых являются ионы водорода и кислород. При этом пленка, содержащая растворенный кислород, в коррозионном отношении значительно опаснее, чем влага, где кислорода нет, и которая способна окислять металлы исключительно ионами водорода, так как в последнем случае количество видов материалов, способных корродировать, значительно меньше.

Например, в стали и в чугуне присутствуют примеси углерода преимущественно в виде карбида железа Fe3C. В этом случае механизм электрохимической коррозии с водородной деполяризацией для указанных металлов выглядит следующим образом:

  • (-) Fe – 2e + nH2O = Fe 2+ · nH2O (может образовываться ржавчина);
  • (+) 2Н + + 2е = Н2 (в подкисленной среде);
  • (+) 2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН – (в нейтральной и щелочной среде).

Механизм коррозии железа, в котором содержатся примеси меди, в случае кислородной деполяризации катода описывается уравнениями:

  • (-) Fe – 2e + nH2O = Fe 2+ ·nH2O;
  • (+) 0,5О2 + Н2О + 2е = 2ОН – (в подкисленной среде);
  • (+) 0,5О2 + 2Н + + 2е = Н2О (в нейтральной и щелочной среде).

Электрохимическая коррозия протекает с разной скоростью. Этот показатель зависит от:

  • разности потенциалов между полюсами гальванического микроэлемента;
  • состава и свойств электролитной среды (рН, наличие ингибиторов и стимуляторов коррозии);
  • концентрации (интенсивности подачи) окислителя;
  • температуры.

Методы защиты

Электрохимическая защита металлов от коррозии достигается следующими способами:

  • Созданием антикоррозионных сплавов (легированием).
  • Увеличением чистоты индивидуального металла.
  • Нанесением на поверхность различных защитных покрытий.

Эти покрытия в свою очередь бывают:

  • Неметаллическими (краски, лаки, смазочные материалы, эмали).
  • Металлическими (анодные и катодные покрытия).
  • Образованными специальной обработкой поверхностей (пассивация железа в концентрированных серной или азотной кислотах; железа, никеля, кобальта, магния в растворах щелочей; образование оксидной пленки, например, на алюминии).

Металлическое защитное покрытие

Наиболее интересной и перспективной является электрохимическая защита от коррозии другим видом металла. По характеру защитного воздействия металлизированные покрытия подразделяют на анодные и катодные. Остановимся на этом моменте более подробно.

Анодным называется покрытие, образованное более активным (менее благородным) металлом, чем тот, что защищают. То есть осуществляется защита элементом, который стоит в ряду напряжений до основного материала (например, покрытие железа цинком или кадмием). При местных разрушениях защитного слоя корродировать будет менее благородный металл-покрытие. В зоне царапин и трещин образовывается локальный гальванический элемент, катодом в котором является ограждаемый металл, а анодом – покрытие, которое окисляется. Целостность такой защитной пленки значения не имеет. Однако чем она толще, тем медленнее будет развиваться электрохимическая коррозия, дольше будет длиться полезный эффект.

Катодным называется покрытие металлом с большим потенциалом, который в ряду напряжений стоит после защищаемого материала (например, напыление низколегированных сталей медью, оловом, никелем, серебром). Покрытие должно быть сплошным, так как при его повреждении образовываются локальные гальванические элементы, в которых основной металл будет анодом, а защитный слой – катодом.

Как уберечь металл от окисления

Электрохимическая защита от коррозии подразделяется на два типа: протекторную и катодную. Протекторная аналогична анодному покрытию. К материалу, который нужно защитить, присоединяют большую пластину более активного сплава. Образуется гальванический элемент, основной металл в котором служит катодом, а протектор – анодом (он корродирует). Обычно для этого типа защиты применяют цинк, алюминий или сплавы на основе магния. Протектор постепенно растворяется, поэтому его нужно периодически заменять.

Много неприятностей в коммунальном хозяйстве и в промышленности в целом доставляет электрохимическая коррозия трубопроводов. В борьбе с ней наиболее подходит метод катодной поляризации. Для этого металлическая конструкция, которая защищается от разрушительных процессов окисления, подключается к отрицательному полюсу какого-либо внешнего источника постоянного тока (она после этого становится катодом, при этом возрастает скорость выделения водорода, а скорость коррозии снижается), а к положительному полюсу присоединяют малоценный металл.

Электрохимические методы защиты эффективны в токопроводящей среде (яркий пример – морская вода). Поэтому протекторы часто используют, чтобы защитить подводные части морских судов.

Обработка агрессивной среды

Этот метод является эффективным, когда электрохимическая коррозия железа протекает в небольшом объеме токопроводящей жидкости. Справиться с разрушительными процессами в этом случае можно двумя способами:

  • Удалением из жидкости кислорода (деаэрация) в результате продувки инертным газом.
  • Введением в среду ингибиторов – так называемых замедлителей коррозии. Например, в случае если поверхность разрушается в результате окисления кислородом, добавляют органические вещества, молекулы которых содержат определенные аминокислоты (имино-, тио- и другие группы). Они хорошо адсорбируются на поверхности металла и существенно снижают скорость электрохимических реакций, приводящих к разрушениям поверхностного контактного слоя.

Вывод

Безусловно, коррозия химическая и электрохимическая приносит значительный ущерб и в промышленности, и в быту. Если бы металл не корродировал, срок службы многих предметов, деталей, агрегатов, механизмов значительно увеличился бы. Сейчас ученые активно разрабатывают альтернативные материалы, способные заменить металл, не уступающие по эксплуатационным характеристикам, однако полностью отказаться от его применения в ближайшей перспективе, наверное, невозможно. В этом случае на передний план выходят передовые методы защиты металлических поверхностей от коррозии.

Коррозия металла — причины возникновения и методы защиты

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).

Химическая коррозия

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.

Электрохимическая коррозия

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).

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 металла

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.

Меры защиты металлов от коррозии

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.

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 покрытиями

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.

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 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.

Меры противодействия электрохимической коррозии

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.

Защита от блуждающих токов

Снизить электрокоррозию подземных коммуникаций и заглубленных металлоконструкций возможно при соблюдении нескольких правил:

  • участок конструкции, служащий источником блуждающего тока, необходимо соединить металлическим проводником с рельсом трамвайной дороги;
  • трассы теплосетей должны размещаться на максимальном удалении от рельсовых дорог, по которым передвигается электротранспорт, свести к минимуму число их пересечений;
  • применение электроизоляционных трубных опор для повышения переходного сопротивления между грунтом и трубопроводами;
  • на вводах к объектам (потенциальным источникам блуждающих токов) необходима установка изолирующих фланцев;
  • на фланцевой арматуре и сальниковых компенсаторах устанавливать токопроводящие продольные перемычки — для наращивания продольной электропроводимости на защищаемом отрезке трубопроводов;
  • чтобы выровнять потенциалы трубопроводов, расположенных параллельно, необходимо установить поперечные электроперемычки на смежных участках.

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.

Читайте также:  Гибкая подводка для воды из нержавеющей стали
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector