Коррозия металлов. Экономический ущерб и меры борьбы с коррозией

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………………………………………………………………………………...	3
Коррозия металлов……………………………………………………………………...	4
Экономический ущерб от коррозии металлов…………..............................................	9
Меры борьбы с коррозией металлов…………………………………………………..	13
Вывод…………………………………………………………………………………..	17
Список используемой литературы…………………………………………………….	18

 

 

 

 

 

 

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 (рис. 1). Вскоре в колене с медной пластинкой наблюдается сначала розовое, а затем малиновое окрашивание, что указывает на появление избыточных свободных гидроксидных групп (ОН^–).

Рис.1  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).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.