Корозія металу - причини виникнення і методи захисту

Корозія металу - причини виникнення і методи захисту

Корозія безповоротно руйнує метал, перетворюючи його на труху: зі всього, виготовленого в світі заліза, 10% повністю руйнуватиметься в цей же рік. Ситуація з вітчизняним металом виглядає приблизно так - весь метал, виплавлений за рік в кожній шостій доменній печі нашої країни, стає іржавою трухою ще до кінця року.

Щорічний збиток, що приносить корозія, складає не менше 4% річного доходу будь-якої розвиненої країни. Так що ж викликає корозійні процеси металів і як з ними боротися?

Корозія металів

Руйнування металів  в результаті електрохімічної (розчинення у вологому повітряному або водному  середовищі - електроліті) або хімічної (утворення з'єднань металів з  хімічними агентами високої агресії) взаємодії із зовнішнім середовищем. Корозійний процес в металах може розвинутися лише в деяких ділянках поверхні (місцева корозія), охопити всю поверхню (рівномірна корозія), або ж руйнувати метал по кордонах зерен (міжкристалічна корозія).

Метал під впливом кисню  і води стає рихлим світло-коричневим порошком, більше відомим як іржа (Fе2O3·H2О).

 

Чинники, що впливають  на швидкість корозії:

 

1. Положення контактуючих металів у ряду стандартних електродних потенціалів. Чим далі метали розташовані один від одного, тим вища швидкість корозії. 
   2) Характер розчину електроліту. Чим вища кислотність розчину і чим більше в ньому окисників, тим швидше відбувається корозія. 
   3) Температура. За високих температур швидкість корозії зростає.

 

Хімічна корозія

 

(Схема корозії заліза в контакті  з міддю)

 

Хімічна корозія має місце  при безпосередній взаємодії  металу з агресивними газами і  рідинами:

 

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3; Zn + 2 HCl = ZnCl2 + H2; 
 
3Fe + 2O2 = Fe3O4; Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2.

 
Хімічна корозія протікає тим інтенсивніше, чим активніший метал, агресивне середовище і вища температура.

Цей процес відбувається в середовищах, що не є провідниками електричного струму (сухі гази, органічні  рідини - нафтопродукти, спирти і ін.), причому інтенсивність корозії  зростає з підвищенням температури - в результаті на поверхні металів  утворюється оксидна плівка. 
 
До хімічної корозії схильні абсолютно всі метали - і чорні, і кольорові. Активні кольорові метали (наприклад - алюміній) під впливом корозії покриваються оксидною плівкою, що перешкоджає глибокому окисленню і що захищає метал. А такий мало активний метал, як мідь, під впливом вологи повітря набуває зеленуватого нальоту - патини. Причому оксидна плівка захищає метал від корозії не у всіх випадках - лише якщо кристалохімічна структура плівки, що утворилася, подібна будові металу, інакше - плівка нічим не допоможе.

Сплави схильні до іншого типа корозії: деякі елементи сплавів  не окислюються, а відновлюються (наприклад, в поєднанні високої температури  і тиску в сталях відбувається відновлення воднем карбідів), при  цьому сплави повністю втрачають  необхідні характеристики.

Електрохімічна  корозія

 

Під час електрохімічної  корозії має місце перенесення  електричних зарядів електронів, внаслідок цього протікають хімічні  процеси окислення-відновлення (гальванічний елемент). При цьому активний метал (відновник) знаходиться в контакті з менш активним металом чи сплавом (гальванічна пара) і розчину електроліту, в якому знаходиться окисник. 
 
Так, коли активний метал, наприклад цинк, забруднений домішками менш активних металів (залізо, мідь), контактує із слабо кислим електролітом, наприклад водним розчином кислотних оксидів, що є у повітрі, в розчин переходять катіони активного металу: 
 
Zn – 2e = Zn2+, 
 
а електрони відновника перетікають до осередків з більш низьким значенням потенціалу (домішки менш активних металів) і знімається з поверхні металу йонами гідрогену (окисника), що є в розчині: 
 
2Н+ + 2e = H2 . 
 
Сумарний процес корозії, який відбувається в даному гальванічному елементі виражається рівнянням: 
 
Zn + 2H+ = Zn2+ +H2 ,

Процес електрохімічної  корозії не потребує обов'язкового занурення металу в електроліт - досить тонкої електролітичної плівки на його поверхні (часто електролітичні розчини просочують середовище, що оточує метал (бетон, грунт і так далі)). Найбільш поширеною причиною електрохімічної корозії є повсюдне вживання побутової і технічної солей (хлориди натрію і калія) для усунення льоду і снігу на дорогах в зимовий період - особливо страждають автомашини і підземні комунікації (за статистикою, щорічні втрати в США від використання солей в зимовий період складають 2,5 млрд. доларів). 
 
Відбувається наступне: метали (сплави) втрачають частину атомів (вони переходять в електролітичний розчин у вигляді іонів), електрони, що заміщають втрачені атоми, заряджають метал негативним зарядом, тоді як електроліт має позитивний заряд. Утворюється гальванічна пара: метал руйнується, поступово всі його частки стають частиною розчину. Електрохімічну корозію можуть викликати блукаючі струми, що виникають при витоку з електричного ланцюга частини струму у водні розчини або в грунт і звідти, - в конструкції з металу. У тих місцях, де блукаючі струми виходять з металоконструкцій назад у воду або в грунт, відбувається руйнування металів. Особливо часто блукаючі струми виникають в місцях руху наземного електротранспорту (наприклад, трамваїв і ж/д локомотивів на електричній тязі). Всього за рік блукаючі струми силою в 1А здатні розчинити заліза - 9,1 кг, цинку - 10,7 кг, свинцю - 33,4 кг

Інші причини  корозії металу

Розвитку корозійних процесів сприяють радіація, продукти життєдіяльності  мікроорганізмів і бактерій. Корозія, що викликається морськими мікроорганізмами, завдає збитку днищам морських судів, а корозійні процеси, викликані  бактеріями, навіть мають власну назву - біокоррозія.

Сукупність дії механічної напруги і зовнішнього середовища багато разів прискорює корозію  металів - знижується їх термостійкість, ушкоджуються поверхневі оксидні плівки, а в тих місцях, де з'являються  неоднорідності і тріщини, активується  електрохімічна корозія.

Заходи захисту  металів від корозії

Неминучими наслідками технічного прогресу є забруднення  нашого місця існування - процес, прискорюючий корозію металів, оскільки зовнішнє довкілля проявляє до них все більшу агресію. Яких-небудь способів повністю виключити корозійне руйнування металів не існує, все, що можна зробити, це максимально уповільнити цей процес. 
 
Для мінімізації руйнування металів можна зробити наступне: понизити агресію середовища, що оточує металевий виріб; підвищити стійкість металу до корозії; виключити взаємодію між металом і речовинами із зовнішнього середовища, що проявляють агресію. 
 
Людством за тисячі років випробувано багато способів захисту металевих виробів від хімічної корозії, деякі з них застосовуються до цього дня: покриття жиром або маслом, іншими металами, що зменшують корозію (самий древній метод, якому вже більше 2 тис. років, - лудіння (покриття оловом)).

Антикорозійний  захист неметалічними покриттями

Неметалічні покриття - фарби (алкід, масляні і емалі), лаки (синтетичні, бітумні і дьогтеві) і полімери утворюють захисну плівку на поверхні металів, що виключає (при своїй цілісності) контакт із зовнішнім середовищем і вологою. 
 
Використання фарб і лаків вигідно тим, що наносити ці захисні покриття можна безпосередньо на монтажному і будівельному майданчику. Методи нанесення лакофарбних матеріалів прості і піддаються механізації, відновити пошкоджені покриття можна «на місці» - під час експлуатації, ці матеріали мають порівняно низьку вартість і їх витрату на одиницю площі невеликі. Проте їх ефективність залежить від дотримання декількох умов: відповідність кліматичним умовам, в яких експлуатуватиметься металева конструкція; необхідність використання виключно якісних лакофарбних матеріалів; неухильне дотримання технології нанесення на металеві поверхні. Лакофарбні матеріали краще всього наносити декількома шарами - їх кількість забезпечить кращий захист від атмосферної дії на металеву поверхню.

В ролі захисних покриттів  від корозії можуть виступати  полімери - епоксидні смоли і полістирол, полівінілхлорид і поліетилен. У  будівельних роботах заставні деталі із залізобетону покриваються обмазками  з суміші цементу і перхлорвініла, цементу і полістиролу.

Захист заліза від корозії покриттями з інших  металів

 

 

Існує два типи металевих  покриттів-інгібіторів - протекторні (покриття цинком, алюмінієм і кадмієм) і  корозійностійкі (покриття сріблом, міддю, нікелем, хромом і свинцем). Інгібітори наносяться хімічним способом: перша  група металів має велику електронегативність по відношенню до заліза, друга - велику електропозитивність. Найбільшого поширення в нашому ужитку набули металеві покриття заліза оловом (біла жерсть, з неї виготовляють консервні банки) і цинком (оцинковане залізо - покрівельне покриття), отримувані шляхом протягання листового заліза через розплав один з цих металів. 
 
Часто цинкуванню піддаються чавунна і сталева арматура, а також водопровідні труби - ця операція істотно підвищує їх стійкість до корозії, але лише в холодній воді (при проходженні гарячої води оцинковані труби зношуються швидше неоцинкованих). Не дивлячись на ефективність цинкування, воно не дає ідеального захисту - цинкове покриття часто містить тріщини, для усунення яких потрібне попереднє нікелювання металевих поверхонь (покриття нікелем). Цинкові покриття не дозволяють наносити на них лакофарбні матеріали - немає стійкого покриття. 
 
Краще рішення для антикорозійного захисту - алюмінієве покриття. Цей метал має меншу питому вагу, а значить - менше витрачається, алюмінійовані поверхні можна забарвлювати і шар лакофарбного покриття буде стійкий. Крім того, алюмінієве покриття в порівнянні з оцинкованим покриттям володіє більшою стійкістю в агресивних середовищах. Алюмініювання слабо поширене із-за складності нанесення цього покриття на металевий аркуш - алюміній в розплавленому стані проявляє високу агресію до інших металів (з цієї причини розплав алюмінію не можна містити в сталевій ванні). Можливо, ця проблема буде повністю вирішена в самий найближчий час - оригінальний спосіб виконання алюмініювання знайдений російськими ученими. Суть розробки полягає в тому, аби не занурювати сталевий аркуш в розплав алюмінію, а підняти рідкий алюміній до сталевого аркуша.

Підвищення  корозійної стійкості шляхом додавання  в сталеві сплави легуючих добавок

Введення в сталевий сплав хрому, титану, марганцю, нікелю і міді дозволяє отримати леговану сталь з високими антикорозійними  властивостями. Особливу стійкість  сталевому сплаву додає велика частка хрому, завдяки якому на поверхні конструкцій утворюється оксидна  плівка великої щільності. Введення до складу низьколегованих і вуглецевих сталей міді (від 0,2% до 0,5%) дозволяє підвищити  їх корозійну стійкість в 1,5-2 рази. Легуючі добавки вводяться до складу сталі з дотриманням правила  Таммана: висока корозійна стійкість досягається, коли на вісім атомів заліза доводиться один атом легуючого металу.

Заходи протидії електрохімічній корозії

Для її зниження необхідно  знизити корозійну активність середовища за допомогою введення неметалічних інгібіторів і зменшити кількість  компонентів, здатних почати електрохімічну реакцію. В такий спосіб буде пониження  кислотності грунтів і водних розчинів, що контактують з металами. Для зниження корозії заліза (його сплавів), а також латуні, міді, свинцю і цинку з водних розчинів необхідно видалити діоксид вуглецю і кисень. У електроенергетичній галузі проводиться видалення з води хлоридів, здатних вплинути на локальну корозію. За допомогою вапнування грунту можна понизити її кислотність.

Захист від  блукаючих струмів

Понизити електрокорозію підземних комунікацій і заглиблених металоконструкцій можливо при дотриманні декількох правил:

• ділянка конструкції, що слугує джерелом блукаючого струму, необхідно з'єднати металевим провідником з рейкою трамвайної дороги;
• траси тепломереж повинні розміщуватися на максимальному видаленні від рейкових доріг, по яких пересувається електротранспорт, звести до мінімуму число їх пересічень;
• використання електроізоляційних трубних опор для підвищення перехідного опору між грунтом і трубопроводами;
• на введеннях до об'єктів (потенційним джерелам блукаючих струмів) необхідна установка ізолюючих фланців;
• на фланцевій арматурі і сальникових компенсаторах встановлювати струмопровідні подовжні перемички - для нарощування подовжньої електропровідності на відрізку трубопроводів, що захищається;
• аби вирівняти потенціали трубопроводів, розташованих паралельно, необхідно встановити поперечні електроперемички на суміжних ділянках.

Захист металевих  об'єктів, забезпечених ізоляцією, а також сталевих конструкцій невеликого розміру виконується за допомогою протектора, що виконує функцію анода. Матеріалом для протектора служить один з активних металів (цинк, магній, алюміній і їх сплави) - він переймає на себе велику частину електрохімічної корозії, руйнуючись і зберігаючи головну конструкцію. Один анод з магнію, наприклад, забезпечує захист 8 км. трубопроводу.