Коррозия металлов. Экономический ущерб и меры борьбы с коррозией

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Кубанский государственный университет»

Реферат

На тему:

«Коррозия металлов. Экономический ущерб и меры борьбы с коррозией»

Выполнила:

Студентка 118 группы

Направление «Системный анализ и управление»

Свиридонова Жанна

Краснодар 2012

Содержание

Введение

1. Коррозия металлов

2. Экономический ущерб от коррозии металлов

3. Меры борьбы с коррозией металлов

Вывод

Список используемой литературы

Введение

Коррозия - рыжая крыса,

Грызет металлический лом.

В. Шефнер

Металл служит примером прочности. Недаром, когда хотят подчеркнуть это свойство, говорят: «Прочный как сталь». С понятием «металл» связано представление о чем-то неизменном, прочном, твердом. Но это не всегда так. Под влиянием внешней среды металлы окисляются и в результате разрушаются. Это и называется коррозией.

Какова же причина разрушения металлов? Все они, за исключением золота, серебра и платины, встречаются в природе в виде соединений, которые образуют минералы и горные породы. Существование металлов в свободном состоянии энергетически менее выгодно. Чтобы получить их в чистом виде, необходимо затратить энергию, в основном тепловую. Из естественного природного состояния их переводят в металлическое. Металлы, корродируя, возвращаются в энергетически выгодное состояние оксидов.

1. Коррозия металлов

Коррозия -- это постепенное разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней средой.

Химическая коррозия металлов наблюдается в сухих газах и неэлектролитах. В первом случае разрушение металлов наблюдается при взаимодействии с газами и парами при температуре более 100° С (окисление металла при нагреве, коррозия печной аппаратуры, лопаток паровых и газовых турбин), во втором случае коррозия идет в нефти, бензине, смазочных маслах и т. п.

Наибольшее разрушение металлов происходит в результате электрохимической коррозии, т. е. при воздействии электролитов -- водных растворов солей, кислот и щелочей. Этот вид коррозии наблюдается в атмосферных условиях, при действии морской, речной, грунтовой и других вод.

На поверхности металла при контакте с электролитом образуется множество микрогальванических элементов, при работе которых растворяется материал анода и избыточные электроны перемещаются к катоду. Образование микрогальванических элементов объясняется неоднородностью металлов, наличием в них структурных участков с различными электродными потенциалами, а также неоднородностью среды. В железоуглеродистых сплавах, например, анодом обычно является феррит, а катодом -- цементит или неметаллические включения.

Особенно интенсивно протекает процесс электрохимической коррозии при периодическом погружении металла в электролит, например при попеременном увлажнении и высушивании металлических конструкций гидротехнических сооружений.

Коррозия металлов ускоряется под влиянием электрического тока. Электрокоррозия металлов происходит при подключении конструкции к положительному источнику тока, например при прохождении трубопровода вблизи токонесущих трамвайных рельсов.

Активному протеканию процесса коррозии способствует углекислый и сернистый газы, хлористый водород и хлористые соли.

Химическая коррозия

Кислород воздуха взаимодействует с поверхностным слоем металла, при этом образуется оксидная пленка. Она образуется в условиях сухого воздуха и при комнатной температуре, и при нагревании. Такую коррозию называют химической. Пленка может быть прочной и препятствовать дальнейшему процессу коррозии. Такие прочные пленки образуются на поверхности алюминия и цинка. Но есть и рыхлые пленки, которые не предохраняют металл от разрушения, как, например, у оксидов щелочных металлов. Так, поверхность только что отрезанного кусочка натрия на глазах мутнеет, образуется рыхлая, с трещинами пленка, свободно пропускающая к поверхности металла кислород воздуха, а также другие газы и пары воды.

Быстрое окисление на воздухе металлического натрия или кальция - пример химической коррозии.

Проведем опыт по исследованию пленок. Очистим поверхность металлической пластинки и начнем нагревать. Постепенно на поверхности появляются так называемые цвета побежалости, т. е. поверхность пластинки окрашивается во все цвета радуги. Это появляются пленки различной толщины, они по-разному преломляют свет.

Протекающие при химической коррозии окислительно-восстановительные процессы осуществляются путем непосредственного перехода электронов на окислитель. Примерами химической коррозии являются реакции металлов с кислородом, хлором, оксидами серы.

В результате такой коррозии сильно разрушаются многие важные детали инженерных конструкций (газовые турбины, сопла ракетных двигателей, арматура печей и т. д.).

Электрохимическая коррозия

Этот вид коррозии проходит в среде, проводящей электрический ток.

Многие металлические предметы, которые мы используем в быту, не подвергаются видимой коррозии, в то время как потерянный ключ быстро ржавеет. Следовательно, электрохимическая коррозия зависит от внешних условий (состава и концентрации электролита). Скорость разрушения разных металлов различна.

Электрохимическая коррозия наблюдается и в том случае, когда контактируют металлы, находящиеся в ряду напряжений на некотором расстоянии друг от друга. Так, если при изготовлении изделия из листового железа используют медные заклепки, то в присутствии влаги они будут играть роль катода, а железный лист станет анодом и, следовательно, будет разрушаться.

Коррозионное разрушение металла в растворах электролитов можно рассматривать как результат работы большого количества микроскопических гальванических элементов, у которых катодами служат посторонние примеси в металле, а анодом сам металл.

Для работы гальванического элемента необходимо наличие двух металлов различной химической активности и среды, проводящей электрический ток, - электролита. При этом сила проявляющегося тока тем больше, чем дальше стоят металлы в ряду напряжений друг от друга. Поток электронов идет от более активного металла к менее активному, являющемуся катодом. В этих случаях химическая энергия окислительно-восстановительных процессов гальванического элемента переходит в электрическую.

Примеры коррозии

1. Консервная банка (луженое железо) представляет собой гальваническую пару железо-олово. Пока банка герметически закрыта, контактная пара не находится в среде, проводящей электрический ток, и банка может не подвергаться коррозии длительное время. Известен случай, когда консервная банка пролежала в земле около ста лет и не подверглась коррозии. Но стоит банку вскрыть, как незамедлительно начинается всепожирающий процесс коррозии. При этом электроны от железа, как более активного металла, переходят на олово. Между поверхностью оловянного покрытия и раствором возникает разность потенциалов. Ионы водорода из воды или кислоты собираются на поверхности малоактивного металла, где восстанавливаются с помощью электронов, идущих от растворяющегося железа. Чем более кислый раствор, тем коррозия интенсивней. В этом случае «работает» гальванический элемент. Железо служит растворимым анодом, а олово - катодом:

анод: Fe0 - 2e = Fe2+,

катод: 2Н+ + 2e = Н2.

Ржавление железа - сложный процесс, в результате которого на поверхности образуется ржавчина. Упрощенный состав ржавчины, рыхлой массы красно-коричневого цвета, - гидроксид железа(III):

Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2,

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3.

2. Основа оцинкованного ведра - железо, поверхность - серебристо-белый блестящий металл. По мере использования поверхность ведра покрывается буровато-беловатыми пятнами, разводами. Цинк в данной гальванической паре, как более активный металл, будет являться анодом и в присутствии среды, проводящей электрический ток, будет разрушаться, железо же не ржавеет. Поэтому оцинкованные ведра сравнительно недороги и служат долго.

Состав бело-бурых пятен - в основном гидроксид цинка. Химизм процесса:

анод: Zn0 - 2e = Zn2+,

катод: 2Н+ + 2e = Н2.

Zn2+ + 2OH- = Zn(OH)2.

«Стригущий лишай цинковых покрытий» - это картина одного из видов коррозии цинка, внешне очень похожая на известное грибковое заболевание. Замечено, что в помещениях цинк корродирует быстрее, чем на открытой ветрам и дождям оцинкованной крыше. Происходит это потому, что продукты коррозии (оксид, гидроксид и карбонат цинка) не смываются дождями. Образовавшиеся отложения «белой ржавчины» впитывают влагу, и на оцинкованной поверхности разрастаются светлые пятна.

Интересно еще одно обстоятельство: мягкая вода вызывает более сильную коррозию этого металла, чем вода, содержащая в большом количестве соли жесткости. Жесткая вода действует менее агрессивно, т. к. осадок карбонатов образует на цинковой поверхности довольно прочное защитное покрытие.

Исходя из положения элемента в периодической системе, можно заранее сказать, какими химическими, а следовательно, и коррозионными свойствами он обладает. Под термином «коррозионные свойства» понимается, как легко данный элемент окисляется, какова устойчивость образующихся оксидов по отношению к воде, растворам солей и различных газов.

Так, в I группе в побочной подгруппе расположены металлы, весьма стойкие в коррозионном отношении. Это медь, серебро, золото, причем их коррозионная стойкость повышается с увеличением атомной массы.

Во II группе также более устойчивы металлы побочной подгруппы: цинк, кадмий, ртуть. На их поверхности в присутствии кислорода образуется тонкая, довольно прочная пленка оксидов, предохраняющая от дальнейшего процесса разрушения.

В III группе из технически важных металлов находится алюминий - это химически активный металл. Он легко окисляется кислородом воздуха, вследствие чего на его поверхности образуется тонкая стекловидная пленка. Но эта пленка обладает высокими защитными свойствами.

В IV группе находятся коррозионностойкие металлы - олово, свинец, стойкость которых тоже объясняется образованием прочных защитных пленок.

Металлы, находящиеся в четных рядах больших периодов, в V, VI и VII группах, обладают высокой способностью к пассивации, а следовательно, большой коррозийной стойкостью. Это ванадий, хром, кобальт и др.

Наиболее коррозионностойкие металлы находятся в VIII группе, причем чем больше их атомная масса, тем больше их устойчивость. Следовательно, из металлов VIII группы наиболее коррозионностойкие осмий, иридий и платина.

Коррозия приводит к техногенному засорению нашей планеты. В настоящее время на земном шаре ежегодно выплавляется более 0,7 млрд т стали, а уничтожается коррозией от 10 до 25% этой величины. Средняя продолжительность жизни стальных изделий составляет около 15 лет. Таков же средний возраст изделий из многих цветных и черных металлов.

Знаменитая Эйфелева башня (7,3 тыс. т металлических конструкций) давно была бы уничтожена коррозией, если бы каждые 7 лет ее не покрывали краской. На окраску уже затрачены средства, превышающие стоимость самого сооружения.

Коррозия, подобно ненасытному дракону, сжирает миллиарды тонн железа и приносит громадный ущерб во всех странах. Никакие предохранительные покрытия, смазки, лаки, краски, использование сплавов не могут предотвратить болезни металлов - окисление, распыление, ржавление.

Все применяемые методы защиты металлов можно разделить на три группы:

1) различные покрытия;

2) обработка среды, в которой металлы находятся;

3) электрохимические методы защиты.

Опыт.

В U-образную трубку наливают до половины ее объема раствор поваренной соли. В каждое колено трубки добавляют несколько капель фенолфталеина. В одно колено трубки погружают предварительно очищенную медную пластинку, а в другое - цинковую.

Обе пластинки соединяют медной проволокой Вскоре в колене с медной пластинкой наблюдается сначала розовое, а затем малиновое окрашивание, что указывает на появление избыточных свободных гидроксидных групп (ОН-).

Медно-цинковый гальванический элемент

В этом опыте при соединении проволокой цинковой пластинки с медной избыточные электроны, образующиеся вследствие перехода цинка в виде ионов в раствор, перетекают с цинковой пластинки на медную. Возникает гальванический элемент. С медной пластинки электроны переходят на ионы водорода. В растворе образуется избыток гидроксид-ионов, которые и дают щелочную реакцию. Иными словами, происходит окислительно-восстановительная реакция, в результате которой возникает электрический ток. Поток электронов движется от цинка (анода) к меди (катоду). Цинк окисляется (растворяется), а на меди наблюдается восстановление ионов водорода (видны пузырьки).

коррозия металл ржавление

2. Экономический ущерб от коррозии металлов

В современном мире коррозия металлов и защита их от коррозии является одной из важнейших научно-технических и экономических проблем.

Технический прогресс во многих отраслях промышленности тормозится из-за нерешенности ряда коррозионных проблем. Это приобрело особую актуальность в промышленно развитых странах с большим металлофондом и особенно в последние годы в связи с все более широким использованием в промышленности высокопрочных материалов, особо агрессивных сред, высоких температур, вызываемых такими опасными формами коррозии, как коррозионное растрескивание, межкристаллитная коррозия, питтинг и др.

Огромны экономические потери от коррозии металлов. Например, в США по последним данным NACE (доклад на 16-м Всемирном конгрессе по коррозии в Пекине в сентябре 2005 года) ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней составили 3,1% от ВВП (276 млрд. долларов). В Германии этот ущерб составил 2,8% от ВВП. По оценкам специалистов различных стран эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 4 %валового национального продукта. При этом потери металла, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций, изделий, оборудования, составляют от 10 до 20% годового производства стали.

Различают два вида потерь: прямые и косвенные. Прямые - безвозвратные потери металла, стоимость замены оборудования и металлоконструкций, расходы на противокоррозионную защиту. Косвенные - простой оборудования, снижение мощности, снижение качества продукции, расход металла на утолщения стенок и т.п.И наоборот, разработка и практическое использование эффективных средств противокоррозионной защиты позволяет не только уменьшить потери металла и средств, но и снизить металлоемкость конструкций и сооружений, увеличить их грузоподъемность, уменьшить расход топливо-энергетических ресурсов при строительстве и эксплуатации, увеличить эксплуатационный период и в целом уменьшить себестоимость и повысить рентабельность объектов техники. В упомянутом выше докладе NACE отмечено, что потери от коррозии и затраты на противокоррозионную защиту в США в 2002 году составили 4,2 % от ВВП, т.е. за период 2002-2005 годы имела место положительная динамика.

Так, например, снижение скорости коррозии судовых корпусных конструкций путем использования эффективных средств защиты позволило применять в российском судостроении низколегированные стали повышенной прочности марок 09Г2, 10ХСНД и др. с пределом текучести 300-400 МПа взамен обычных углеродистых сталей с пределом текучести не более 240 МПа. Это позволило снизить строительные толщины корпусных конструкций и, соответственно, уменьшить их массу, сэкономить металл, снизить энерго- и трудозатраты при строительстве и эксплуатации судов.

По нашим расчетам экономия стального проката от замены углеродистых сталей на низколегированные повышенной прочности составляет от 5 до 17% в зависимости от марки сталей, назначения судна и применяемых средств защиты. Снижение строительных толщин в этом случае может составлять 3-7 мм для днища и 2-5 мм для бортов.

Снижение скорости язвенной коррозии обшивки подводной части корпуса с 1-2 до 0,02-0,05 мм/год путем применения эффективности красок и электрохимической защиты позволило резко уменьшить объем работ по подварке сварных швов и практически исключить такой вид ремонтн6ых работ как замена листов обшивки.

Можно привести много других примеров, когда правильное применение эффективных средств противокоррозионной защиты приводит к значительным техническим и экономическим успехам.

Поскольку основным средством противокоррозионной защиты судов являются лакокрасочные покрытия, то вполне понятно, насколько важны и актуальны вопросы применения эффективных лакокрасочных материалов и качественного их нанесения. Экономический анализ того или иного варианта нанесения покрытия строится на основе сопоставления затрат и эффективности (функциональных качеств, долговечности) полученного покрытия. Наиболее показательно сопоставлять затраты по стоимости окрашивания 1 м2 поверхности. Окончательная стоимость покрытия - это сумма прямых, косвенных и непредвиденных расходов.

Прямые затраты включают:

стоимость лакокрасочных материалов, растворителей, расходных материалов;

стоимость разового оборудования, технологической оснастки;

амортизационные отчисления на восстановление оборудования и основных производственных фондов;

полные затраты на выполнение подготовительных, очистных и окрасочных работ;

полные затраты на выполнение мероприятий по технике безопасности и охране окружающей среды;

затраты на осуществление контроля всех операций технологического процесса;

затраты на страхование.

Косвенные затраты включают:

затраты на обеспечение условий для проведения очистных и окрасочных работ (вентиляция, сушка, отопление, освещение и т.п.);

затраты на возведение лесов, подмостей, на транспортные работы и т.п.

Непредвиденные расходы возникают в результате:

прерывания очистных и окрасочных работ из-за погодных условий;

вынужденных простоев по различным технологическим обстоятельствам;

необходимости повторного выполнения очистных и окрасочных работ вследствие низкого качества их первичного выполнения.

Эффективность покрытия оценивается как комплекс функциональных свойств (противокоррозионных, декоративных, противообрастающих, износостойких и прю) на протяжении срока службы покрытия. Таким образом, решающим фактором выбора того или иного варианта покрытия является его долговечность. При этом учитывается, что затраты на восстановление покрытия часто превышают затраты на его первичное нанесение, а качество восстановленных покрытий заведомо ниже первоначальных.

Для исключения споров и конфликтов между взаимодействующими организациями следует разделять понятия «долговечность и «гарантийный срок службы». Стандарт ИСО 12944-1 определяет эти понятия следующим образом:

Долговечность - ожидаемый срок службы системы защитных покрытий до первого ремонтного восстановления. Это понятие технического характера, которое помогает владельцу обоснованно планировать техническое обслуживание окрашенного объекта.

Гарантийный срок службы - понятие юридического характера, имеющее законную силу и являющееся предметом контракта между заказчиком и исполнителем окрасочных работ. Это понятии определяет длительность эксплуатации окрашенного объекта, в течении которой исполнитель несет юридическую и финансовую ответственность за обеспечение защитных и/или декоративных качеств системы покрытия по конкретным параметрам, например, сохранность покрытия на определенной площади, сопротивления, цвета, блеска и т.п.

Из этого следует, что экономически целесообразно наносить долговечные покрытия, используя высококачественные лакокрасочные материалы, оборудование и современные методы подготовки поверхности и нанесения материалов, несмотря на то, что первоначальные затраты при этом увеличиваются. Относительные эксплуатационные расходы при этом будут меньше за счет менее частого перекрашивания, увеличения эксплуатационного времени и пр.

Следует также учитывать, что в общей стоимости окрашивания объекта и эксплуатационных расходов весьма большую роль играет качество краски и относительно небольшую роль - ее цена. Например, стоимость качественной окраски с предварительной дробеструйной обработкой составляет от 30 до 50 ам.долл. за 1 м2, в том числе стоимость хорошей краски, расходуемой на 1 м2 составляет в среднем около 4 ам.долл., т.е. около 10% от стоимости окраски. Использование дешевой краски невысокого качества позволит снизить общие расходы на 4-6%, но приведет к необходимости более раннего возобновления покрытия, что обойдется дороже.

Если стоит задача получить высококачественное покрытие, то нецелесообразно экономить на подготовке поверхности под окраску, хотя качественная дробеструйная обработка стоит дорого - в среднем расходы составляют 60-70% от общих расходов по нанесению покрытия, включая стоимость материалов.

Наконец, на чем никогда нельзя экономить - это на проведении строгого и тщательного пооперационного контроля поступающих на предприятие материалов до приемки готового покрытия. Отсюда ясно, какое важное место занимает инспектор, и какие убытки может принести выполнение очистных и окрасочных работ без должного контроля.

3. Защита металлов

Защита металлов от коррозии. На базе современных представлений электрохимии изложены теоретические основы защиты металлов от коррозии с помощью наложенного внешнего тока (электрохимическая защита) и использования специальных веществ для понижения агрессивности среды -- ингибиторов коррозии. Современная защита металлов от коррозии базируется на следующих методах: повышение химического сопротивления конструкционных материалов, изоляция поверхности металла от агрессивной среды, понижение агрессивности производственной среды, снижение коррозии наложением внешнего тока (электрохимическая защита).

Эти методы можно разделить на две группы. Первые два метода обычно реализуются до начала производственной эксплуатации металлоизделия (выбор конструкционных материалов и их сочетаний еще на стадии проектирования и изготовления изделия, нанесение на него гальванических и иных защитных покрытий). Последние два метода, напротив, могут быть осуществлены только в ходе эксплуатации металлоизделия (пропускание тока для достижения защитного потенциала, введение в технологическую среду специальных добавок-ингибиторов) и не связаны с какой-либо предварительной обработкой до начала использования.

При применении первых двух методов не могут быть изменены состав сталей и природа защитных покрытий данного металлоизделия при непрерывной его работе в условиях меняющейся агрессивности среды. Вторая группа методов позволяет при необходимости создавать новые режимы защиты, обеспечивающие наименьшую коррозию изделия при изменении условий их эксплуатации. Например, на разных участках трубопровода в зависимости от агрессивности почвы можно поддерживать различные плотности катодного тока или для разных сортов нефти, прокачиваемой через трубы данного состава, использовать разные ингибиторы. В статье рассматриваются теоретические основы именно этой группы методов как имеющих особо важное значение для защиты готовых изделий, подвергающихся коррозионному разрушению.

Принцип электрохимической защиты

Электрохимическая защита основана на том, что, сдвигая потенциал металла пропусканием внешнего тока, можно изменять скорость его коррозии. Проекция точки пересечения кривой ионизации металла с катодной кривой восстановления деполяризатора на ось абсцисс дает ток коррозии iкор при отсутствии какого-либо внешнего воздействия на эту коррозионную систему, а проекция указанной точки на ось ординат -- величину установившегося в этих условиях потенциала коррозии Екор. При пропускании через корродирующий металл внешнего катодного тока потенциал его сдвигается в отрицательную сторону и принимает новое значение.

Скорость коррозии металла, определяемая соответствующим током на прямой ионизации металла при этом новом значении потенциала, равна. Из диаграммы видно, что это состояние достигается при пропускании внешнего тока величиной. Причем часть этого тока идет на подавление анодной реакции ионизации металла (то есть его коррозии), а другая часть -- на ускорение катодного процесса: . Увеличение внешнего катодного тока до величины iзащ, обеспечивающей достижение равновесного потенциала EА корродирующего металла, полностью подавляет коррозионный процесс (см. рис. 1). Согласно теории, в общем случае ток полный защиты iзащ в условиях коррозии с водородной деполяризацией iзащ = iкорexp (DEзащ / вк), где вк -- катодная поляризуемость корродирующего металла дE / дlniк. Обычно iзащ @ iкор для кислых сред. В этих условиях основная часть пропускаемого внешнего тока идет на ускорение выделения водорода. Для кислых сред такой метод защиты малоэффективен и даже несколько рискован, так как, во-первых, значительная часть тока уходит не на подавление коррозии, а на выделение водорода, а во-вторых, интенсивное выделение водорода на поверхности металла может привести к его наводороживанию (растворению водорода в металле) и как следствие этого -- ухудшению его механических свойств, отслаиванию защитных покрытий и т. д. Однако для наиболее распространенного вида коррозии металлов с кислородной деполяризацией в условиях ограниченного доступа кислорода наложение внешнего катодного тока эффективно для предотвращения коррозии. Этот способ также эффективен при коррозии металлов, когда отсутствует поляризация анодных участков. Катодная защита Электрохимическая защита, основанная на наложении катодного тока, носит название катодной. Она реализуется в производственных условиях в двух вариантах.

В первом необходимый сдвиг потенциала обеспечивается подключением защищаемого изделия в качестве катода к внешнему источнику тока. В качестве анода используются вспомогательные инертные электроды. Так защищают буровые платформы, сварные металлические основания, подземные трубопроводы. Катодная защита эффективно используется для подавления не только общей коррозии, но и ее различных видов, например для предотвращения питтинговой коррозии (вид коррозии, очаги которой в начальной стадии имеют вид точек, а в развитом состоянии -- коррозионных язв) нержавеющей стали и алюминия, коррозионного растрескивания под напряжением латуней магния, межкристаллитной коррозии нержавеющей стали. Другой вариант этого вида защиты -- протекторная или гальваническая катодная защита. В этом случае катодная поляризация металлоизделия достигается за счет контакта его с более электроотрицательным металлом. Последний в паре с защищенным металлом выступает в роли анода. Его электрохимическое растворение обеспечивает протекание катодного тока через защищаемый металл. Сам же анод (обычно это магний, цинк, алюминий и их сплавы) постепенно полностью разрушается. Этот вид защиты используют для сравнительно небольших конструкций или дополнительно покрытых изоляцией металлообъектов (например, трубопроводы) с низким потреблением тока. Указанная защита эффективна. С помощью одного магниевого анода защищают до 8 км трубопровода с покрытием, без него -- всего 30 м. Протекторная защита широко распространена, например в США на производство протекторов ежегодно расходуется около 11,5 млн кг алюминия. Анодная защита Сдвиг потенциала коррозионной системы в положительную сторону до значения, так же как и в случае наложения катодного тока, приводит к снижению скорости коррозии до величины. Это потребует наложения внешнего анодного тока, часть которого пойдет на подавление катодной реакции до величины i «, а другая часть -- на ускорение реакции ионизации металла при. Скорость растворения металла при этом потенциале равна. Из рис. 1 видно, что хотя скорость коррозии и уменьшилась, однако общая скорость растворения металла возросла на величину.

По этим причинам нельзя использовать наложение анодного тока для защиты от коррозии активно растворяющихся металлов. Однако многие металлы, прежде всего с незавершенными d-электронными слоями, при смещении потенциала от величины Eкор до E ' переходят в пассивное состояние, которому отвечает резкое торможение реакции ионизации, для их защиты используется эпоксидная эмаль ЭП. Ток растворения металла снижается от величины iкор до iпас (рис. 3). При этом ток растворения металла падает в десятки раз. Плотность внешнего анодного тока, который необходим для перевода металла в пассивное состояние, обычно довольно велика. Когда же металл перешел в пассивное состояние, его поддержание требует дальнейшего наложения внешнего тока, незначительного по величине, что делает анодную защиту высокоэффективным методом борьбы с коррозией металлов. Например, для начала пассивации нержавеющей стали в 66%-ном растворе H2SO4 при комнатной температуре (ї 24?) необходим анодный ток плотностью ї 6 A/м2, а для дальнейшего поддержания пассивного состояния -- всего 10-- 3 A/м2. Токи анодной защиты обычно много меньше, чем соответствующие токи катодной защиты. Необходимо подчеркнуть, что анодная защита применима для борьбы с коррозией только легко пассивирующихся металлов при анодной поляризации (Fe, Ni, Cr, Mo, Ti, Zr) и неприменима для таких металлов, как Zn, Cu, Cd, Ag. Очень важно, чтобы в растворе не было веществ-депассиваторов в количествах, способных вывести металл из пассивного состояния, например ионов Cl-, S2 --. Вывод металла из пассивного состояния и дальнейшее его растворение при ранее заданном потенциале анодной защиты E ' приведут к резкому возрастанию скорости ионизации металла до величины i «и к быстрому выходу из строя анодно-поляризованного оборудования. Электродренаж К электрохимическим методам борьбы с коррозией можно отнести и защиту от разрушения конструкций блуждающими токами -- электродренаж. Блуждающие токи возникают вследствие утечки из электрических цепей части тока в почву или водные растворы, где они попадают на металлические конструкции. В местах выхода тока из этих конструкций вновь в почву или воду возникает анодное растворение металла или, как принято обычно говорить, коррозия под действием блуждающих токов. Такие зоны разрушения металлов под действием блуждающих токов особенно часто наблюдаются в районах наземного электрического транспорта (трамвайные линии, железнодорожный транспорт на электрической тяге)

Одним из способов устранения такой коррозии является соединение металлическим проводником участка A' конструкции A, с которого стекает блуждающий ток, с рельсом B (рис. 4). При большом расстоянии между A' и B, когда электродренаж, описанный выше, трудно реализовать, то рядом с A закапывают дополнительный чугунный анод C, который соединяют с A' металлическим проводником. В этом случае под действием блуждающего тока растворяется именно анод C, и коррозия основной конструкции в зоне A' будет полностью прекращена. Блуждающие токи растворяют металл на анодных участках в соответствии с законом Фарадея. Эти токи могут достигать несколько ампер, что должно приводить к большим коррозионным разрушениям. Например, прохождение анодного тока в течение одного года силой в 1 А вызовет растворение железа -- 9,1 кг, цинка -- 10,7, свинца -- 33,4 кг. При осуществлении электродренажа важно правильно определить анодные зоны A', при ошибочном соединении вместо них катодных зон A» металлическим проводником с B коррозия подземного сооружения резко возрастет на участке A'.

Принцип ингибиторной защиты

Другим важнейшим, широко практикуемым методом защиты от коррозии является введение в агрессивную среду специально подобранных соединений -- ингибиторов. Ингибиторы коррозии -- это органические и неорганические вещества, присутствие которых в небольших количествах резко снижает скорость растворения металла и уменьшает его возможные вредные последствия например эмаль ХС. Метод ингибирования, как правило, отличается высокой экономичностью, легкостью производственного внедрения без изменения ранее принятого технологического режима, обычно не предусматривает для своей реализации специального дополнительного оборудования. Защита от коррозии с помощью ингибиторов нашла широкое применение во многих отраслях современного промышленного производства и сельского хозяйства: при транспортировании газа и нефти по трубопроводам, для сохранения металлоизделия в межоперационный период, для защиты от коррозии горюче-смазочными веществами, а также в водно-солевых, кислотных, щелочных, водно-органических и органических средах, в пресной, морской воде, при коррозии в атмосферных условиях и почве. Введение ингибиторов в агрессивную среду вызывает изменение поверхности корродирующего металла, а также влияет на кинетику частных электродных реакций, определяющих процесс его саморастворения. Механизм ингибирующего действия определяется несколькими факторами: природой металла, строением ингибитора, составом агрессивной среды, условиями протекания коррозии (температура и гидродинамическое состояние среды).

По механизму действия ингибиторы делятся на адсорбционные и пассивационные. Абсорбционные ингибиторы

Частицы адсорбционных ингибиторов (в зависимости от строения ингибитора и состава среды они могут быть в виде катионов, анионов и нейтральных молекул), электростатически или химически взаимодействуя с поверхностью металла (соответственно физическая адсорбция и хемосорбция), закрепляются на ней, что приводит к торможению коррозионного процесса.

Для оценки эффективности ингибиторов используют величины коэффициента торможения коррозии g или степень защиты Z, определяемые по формулам

g = i / i ' и Z = (i -- i ') / i = = 1 -- 1/ g,

где i и i ' -- скорости коррозии при отсутствии и в присутствии ингибитора. Частицы адсорбционных ингибиторов находятся на поверхности корродирующего металла в двух формах: в виде хаотично распределенных на ней молекул или ионов и в виде отдельных скоплений -- кластеров.

Согласно современной теории защитного действия адсорбционных ингибиторов, величина коэффициента торможения g определяется четырьмя участниками:

g = g1g2g3g4,

где g1 и g2 -- кинетические коэффициенты торможения коррозии за счет влияния адсорбированных частиц ингибитора на токи обмена реакций соответственно разряда -- ионизации металла и деполяризатора (обычно H3O+) [1], g3 -- коэффициент торможения за счет сокращения активной поверхности металла на долю q, g4 -- коэффициент торможения, вызванный изменением строения границы металл -- раствор при введении ингибитора. При высоких степенях заполнения молекулами ингибитора, согласно теоретическим расчетам, определяющими величину g являются коэффициенты g3 и g4 и приведенное выше уравнение принимает вид [1]:

g = g3g4 = (1 -- q) --1 «10к «Dy,

где Dy -- изменение потенциала в месте протекания коррозии при введении ингибитора, к ї 3-11. Ингибитор может тормозить катодную реакцию деполяризации (катодные ингибиторы), анодную (анодные ингибиторы) или обе частные реакции (катодно-анодные ингибиторы).

При этом наряду с уменьшением скорости коррозии происходит смещение стационарного потенциала соответственно в сторону отрицательных или положительных значений, что легко показать на коррозионной диаграмме Эванса. В присутствии катодно-анодного ингибитора потенциал практически не изменяется (рис. 5, а-в). Как правило, в качестве эффективных адсорбционных ингибиторов выступают соединения, имеющие в своем составе гетероатомы N, P, S, O, Si, через которые и осуществляется связь молекул ингибитора с поверхностью металла. К настоящему времени известны десятки индивидуальных веществ и смесей на их основе как эффективные замедлители коррозии. Они выявлены эмпирическим путем на основе прямых коррозионных испытаний. За последние десятилетия достигнуты значительные успехи в развитии научно обоснованного подбора адсорбционных ингибиторов и понимании механизма их защитного действия.

Предложенные теории основываются, в частности, на учете природы металла (переходные или непереходные), заряда металла по отношению к раствору и заряда частиц ингибитора, энергии возбуждения электронов металла и молекул ингибитора, принадлежности металла и ингибитора к классу жестких или мягких кислот и оснований. Эти подходы позволили с достаточной уверенностью утверждать, что наиболее эффективны адсорбционные ингибиторы кислотной коррозии в условиях разного знака заряда металла и частицы ингибитора, при наличии легко возбуждаемых высокоподвижных электронов ингибитора, в сочетаниях металл -- мягкая кислота с ингибитором -- мягким основанием или металл -- жесткая кислота с ингибитором -- жестким основанием. Ингибиторы коррозии могут эффективно тормозить процесс наводороживания металлов при кислотной коррозии, предотвращая ухудшение их механических свойств. Более того, известны случаи, когда прочность металла даже повышается при травлении, а содержание водорода снижается по сравнению с нетравленым металлом, что позволяет продлить службу изделий и уменьшить их толщину.

Введение ингибиторов в горюче-смазочные материалы не только снижает их коррозионную агрессивность, но и уменьшает изнашивание при трении и вибрации. Высокие разносторонние защитные свойства ингибиторов обеспечили их широкое промышленное производство. Объем мирового производства и потребления ингибиторов коррозии, присадок к смазочным маслам составляет 4,4 млн т/год с тенденцией к росту до 5,5-6,0 млн т/год. Из этого объема: на ингибирование нефти, газа, пластовых вод и прочих сред в нефтегазодобывающей промышленности -- 20-25%, на подготовку и переработку нефти -- 2-5, на ингибирование нефтепродуктов и производство средств защиты на нефтяной основе -- 65-75, на прочие нужды (ингибирование кислот, охлаждающих сред и пр.) -- 3-5%. Широкое распространение нашли летучие ингибиторы -- вещества с невысоким давлением паров, адсорбция которых на поверхности металла надежно защищает его от коррозии (например, нитрит дициклогексиламмония, бензтриазол, карбонат этаноламина и др.). Указанными ингибиторами пропитывают бумагу или помещают их в герметизированную тару, в которые упаковывают металлоизделия.

Достоинством летучих ингибиторов по сравнению с защитными смазками является простота применения, а также возможность быстрого использования защищенных изделий без операции удаления смазки. Пассивационные ингибиторы Вторую большую группу ингибиторов составляют пассиваторы. Эти ингибиторы вызывают формирование на поверхности металла защитной пленки и способствуют переходу металла в пассивное состояние. При этом имеет место сдвиг потенциала металла в положительную сторону. Наиболее широко ингибиторы-пассиваторы применяются для борьбы с коррозией в нейтральных или близких к ним средах, где коррозия протекает преимущественно с кислородной деполяризацией. Механизм действия пассиваторов различен и в значительной степени определяется их химическим составом и строением. Различают несколько видов пассивирующих ингибиторов, например неорганические вещества с окислительными свойствами (нитриты, молибдаты, хроматы). Последние способны создавать защитные оксидные пленки на поверхности корродирующего металла. В этом случае, как правило, наблюдается смещение потенциала в сторону положительных значений до величины, отвечающей выделению кислорода из молекул воды или ионов гидроксила. При этом на металле хемосорбируются образующиеся атомы кислорода, которые блокируют наиболее активные центры поверхности металла и создают добавочный скачок потенциала, замедляющий растворение металла. Возникающий хемосорбционный слой близок по составу к поверхностному оксиду.

В качестве пассиваторов такого рода выступают только такие ионы, которые могут легко восстанавливаться. Ионы -- трудновосстанавливаемые и потому пассиваторами не являются. Для поддержания пассивного состояния дальнейшее восстановление пассиватора идет с очень низкой скоростью. Такие пассиваторы характеризуются критическими концентрациями. Наилучший эффект защиты достигается при превышении в растворе концентрации пассиватора выше ее критической величины. При значениях концентрации ниже этого значения пассиваторы выступают в качестве катодных деполяризаторов и резко увеличивают скорость коррозии металла в активном состоянии (рис. 5, г). Присутствие в растворе ионов Cl-, S2 --, повышение температуры и кислотности увеличивают значение критической концентрации пассиватора. Большую группу составляют пассиваторы, образующие с ионами корродирующего металла труднорастворимые соединения.

Формирующийся в этом случае осадок соли, если он достаточно плотен и хорошо сцеплен с поверхностью металла, защищает ее от контакта с агрессивной средой. При коррозии железа такими эффективными ингибиторами являются полифосфаты, силикаты, карбонаты щелочных металлов. По такому же механизму за счет подщелачивания среды у поверхности корродирующего металла действуют вещества, образующие труднорастворимые оксиды или гидроксиды. Для этих целей используют различные легкорастворимые соединения, дающие ионы Mg2 +, Ca2 +, Sn2 +, Cr3 +. Отдельную группу составляют органические соединения, которые не являются окислителями, но способствуют адсорбции растворенного кислорода, что приводит к пассивации например грунтовка ГФ. К числу их для нейтральных сред относятся бензоат натрия, натриевая соль коричной кислоты. В деаэрированной воде ингибирующее действие бензоата на коррозию железа не наблюдается. В числе важнейших требований, предъявляемых к ингибиторам, должны быть их соответствие санитарно-гигиеническим нормам, а также пожаро-- и взрывобезопасность.

Вывод

Сегодня говорить о том, что коррозия металла как процесс его разрушения практически побежден, преждевременно. И проблем здесь хватает. Но ученые прилагают все усилия, чтобы коррозия металла как можно меньше доставляла неудобств в процессе эксплуатации металлических конструкций.

Все больше появляется методов борьбы с этим процессом, все больше появляется материалов, которые гарантируют эффективную защиту. На исследования тратятся большие финансовые средства, поэтому коррозия металла должна отступить в будущем, а точнее сказать, сдать свои позиции. Коррозия металлов и меры борьбы с ней - это одна из главных задач, которую ставят перед собой строители, начиная поднимать новый объект.

Список используемой литературы

1. Краткая химическая энциклопедия под редакцией И.А. Кнуянц и др. - М.: Советская энциклопедия, 1961-1967, Т.2.

2. Советский энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1983.

3. Андреев И.Н. Коррозия металлов и их защита. - Казань: Татарское книжное издательство, 1979.

4. Войтович В.А., Мокеева Л.Н. Биологическая коррозия. - М.: Знание, 1980, № 10.

5. Лукьянов П.М. Краткая история химической промышленности. - М.: Издательство АН СССР, 1959.

6. Теддер Дж., Нехватал А., Джубб А. Промышленная органическая химия. - М.: Мир, 1977.

7. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. - Л.: Химия, 1989.

8. Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы. - М.: Высшая школа, 1980.

Размещено на Allbest.ru

...