Металлы и их сплавы часто подвержены коррозии — самопроизвольному разрушению. Причиной этого процесса является химическое либо электрохимическое взаимодействие с окружающей средой.
Коррозия негативно влияет на эксплуатационные свойства металлов и сплавов. Под воздействием разрушительного процесса металлические изделия и конструкции, в том числе цистерны, корпусы машин, трубопроводы и мосты, выходят из строя.
Это может приводить к крупным авариям и экологическим катастрофам. Именно поэтому необходимо применять наиболее эффективные методы защиты от коррозии.
Виды коррозии металлов
К разрушению металлов и сплавом приводит химическая либо электрохимическая коррозия. Кратко рассмотрим их особенности.
Химическая коррозия
Взаимодействие с окружающей средой запускает процессы, в результате которых разрушаются металлические связи. Также при этом образуются новые связи — между атомами металла/сплава и окислителем. Химическая коррозия возникает, когда материал взаимодействует со средой, которая не проводит электроток.
Если на поверхности металлического изделия/конструкции нет конденсата, но происходит контакт с газом или паром, возникает газовая коррозия.
Она может привести к полному разрушению материала. В ряде случаев защиту от газовой коррозии обеспечивает оксидная пленка, которая образуется на поверхности изделия или конструкции. Металлы и сплавы уязвимы перед кислородом, сероводородом, двуокисью серы и другими газами.
Жидкостной называется коррозия, которая возникает при контакте металла с неэлектролитной жидкостью, например, нефтью или продуктами ее переработки.
Электрохимическая коррозия
Этот вид коррозии встречается наиболее часто. К разрушению приводит контакт между материалом и электролитной жидкостью.
Особенность электрохимической коррозии заключается в протекании двух взаимосвязанных процессов — анодного и катодного.
С одной стороны, ионы металла переходят в электролит. С другой стороны, образованные в ходе анодного процесса электроны вступают в связь с частицами окислителя.
Также отметим, что классификация видов коррозии зависит от среды окисления. Здесь выделяются:
- Атмосферная коррозия
Материал разрушается из-за прямого контакта с влажным воздухом. Коррозионный процесс ускоряется, если среда содержит частицы химически активных веществ. - Жидкостная коррозия
К разрушению металла приводит взаимодействие с электролитом, например, водой, которая содержит примеси минеральных солей. - Почвенная коррозия
Развитие коррозионного процесса провоцируют грунтовые воды с содержанием минеральных солей.
Типы коррозионных повреждений
Здесь классификация основывается на особенностях изменений, которые происходят с поверхностью металла и его свойствами.
Сплошная коррозия
В этом случае повреждена вся поверхность металлического изделия/конструкции. Сплошная коррозия бывает:
- Равномерной
Процесс разрушения одинаково затрагивает все части изделия/конструкции. - Неравномерной
Скорость коррозионного процесса на разных участках изделия/конструкции различается.
Местная коррозия
Для этого типа коррозии характерно разрушение отдельных частей конструкции. В зависимости от степени поражения металла выделяются:
- Пятна
Это неглубокое разрушение отдельных участков изделия/конструкции. Пример — коррозия латуни в морской воде. - Язвы
В этом случае отмечается глубокое разрушение отдельных участков. Пример — коррозия стали в грунте. - Питтинг
Так называется точечное разрушение. Со временем коррозия становится сквозной. Пример — разрушение стали в морской воде. - Подповерхностная коррозия
Возникает при использовании антикоррозийных покрытий на отдельных частях конструкции. Разрушения, которые образуются под защитной поверхностью, сосредотачиваются внутри металла. - Межкристаллитная коррозия
Считается наиболее опасной. Межкристаллитная коррозия поражает не частицы металла, а границы зерен (кристаллов). - Структурно-избирательная
Поражает конструкции из сплавов, в состав которых входят металлы с разными коррозионными свойствами.
Способы защиты металла от коррозии
Чтобы защитить металлические изделия и конструкции, необходимо своевременно принимать меры, которые позволяют оградить поверхность металла от негативного влияния окружающей среды. Это помогает предотвратить разрушение и минимизировать вероятность ЧП.
Сегодня используются разнообразные способы защиты металлов от коррозии. Рассмотрим те, что применяются в современной промышленности.
Легирование
Этот способ защиты заключается в том, что в состав сплава добавляются пассивные элементы, которые усиливают определенные свойства, в том числе устойчивость к коррозии. В качестве легирующих компонентов выступают хром, алюминий, титан, молибден и т. д.
Легирование — один из эффективных способов защиты металлов от газовой коррозии. К примеру, все детали и узлы двигателей машин изготавливаются из легированных сплавов.
Использование легирующих элементов обеспечивает изделиям устойчивость к воздействию высоких температур и предотвращает их разрушение из-за газовой коррозии.
Кроме того, легирование повышает уровень защиты от коррозионных процессов при эксплуатации конструкций в химически агрессивных средах, в том числе в сильнокислых.
Использование защитных покрытий
На труднодоступных участках металлических конструкций используются толстослойные покрытия. К ним относятся заслоны, панели, резиновые прокладки.
К преимуществам толстослойных покрытий можно отнести их эффективность, к недостаткам — высокую стоимость и сложность установки.
Чаще используются тонкослойные покрытия. Они также называются пассивными. Тонкослойные покрытия выступают в качестве барьера между поверхностью металла и агрессивной средой.
Для обеспечения пассивной защиты используются краски, лаки, грунтовки и эмали. Такие составы создают на поверхности металлических изделий прочную пленку, которая предотвращает развитие коррозионного процесса.
К преимуществам пассивных тонкослойных покрытий можно отнести доступную стоимость, удобство нанесения, большой выбор защитных составов. Среди недостатков стоит отметить восприимчивость к механическим повреждениям и необходимость в регулярном обновлении слоя.
Защитные покрытия делятся не только на толсто- и тонкослойные, но и на неметаллические и металлические.
Неметаллические покрытия
К этой категории относятся как органические, так и неорганические материалы, которые изолируют металлические конструкции от неблагоприятного воздействия агрессивной среды и электрического тока.
Неметаллические покрытия используются в зависимости от условий эксплуатации металла. Например, для защиты подземных конструкций применяется битум, полилен, материалы на основе резины. Такая изоляция обладает высокими антикоррозионными и диэлектрическими свойствами.
Проверка целостности неметаллических покрытий проводится каждые 25 лет. При отсутствии механических повреждений замена изоляции не проводится. Покрытие остается еще на 25 лет. При наличии повреждений необходимо провести замену поврежденного участка.
Металлические покрытия
Пока покрытие сохраняет целостность, оно работает так же, как неметаллическая изоляция, защищая металл от агрессивного воздействия окружающей среды и электротока.
При повреждении возникает гальванический элемент. Так называется химический источник электрического тока, появляющийся при взаимодействии двух металлов в электролите.
Металлические покрытия делятся на две группы:
- Катодные
К этой категории относятся материалы, более электроположительные по сравнению с защищаемым металлом. - Анодные
В эту группу входят более электроотрицательные по сравнению с основным металлы.
Например, электродный потенциал железа составляет −0,44 В. Для этого металла никелевое покрытие с потенциалом −0,25 В будет катодным, а изоляция из цинка с потенциалом −0,763 В — анодной.
Выполненная из железа конструкция, защищенная никелевым покрытием и помещенная в кислую среду, при повреждении изоляционного слоя начнет окисляться. Возникновение гальванического элемента приведет к тому, что никель утратит защитные свойства и начнется коррозия.
При использовании цинкового покрытия ситуация будет развиваться по-другому. У цинка более высокий по сравнению с железом электродный потенциал.
При повреждении изоляционного слоя и возникновении гальванического элемента защитное покрытие начнет окисляться, а железо будет восстанавливаться. Таким образом, даже при разрушающемся покрытии железная конструкция не пострадает.
Химические способы защиты от коррозии
Благодаря активному развитию технологий существует множество способов химической защиты от коррозии металла. Наиболее дорогостоящие методы применяются в таких сферах, как машиностроение и микроэлектроника. Для массового производства актуальны менее затратные способы.
Оксидирование
Метод предполагает создание на металле специальной оксидной пленки, которая предотвращает возникновение коррозии. Для этого металл помещается в концентрированный кислотный или щелочной раствор, нагреваемый до температуры от +130 до +350 °C в зависимости от особенностей сплава.
Из щелочей для оксидирования чаще всего используется едкий натр, из кислот — нитрат натрия и нитрит натрия.
Разберем, как происходит защита металла от коррозии с помощью оксидирования:
- Помещенный в раствор металл начинает окисляться, в результате чего высвобождаются электроны.
- В то же время происходит восстановление раствора, чему сопутствует высвобождение гидроксильной группы.
- Гидроксильная группа и высвободившиеся металлические электроны вступают друг с другом в реакцию, образуя оксидную пленку.
При оксидировании низкоуглеродистых сталей защитная пленка приобретает иссиня-черный цвет. Высокоуглеродистые стали приобретают серо-черный оттенок.
Метод оксидирования активно применяется в ковке и декоративных работах по металлу.
Фосфатирование
Этот метод, как и предыдущий, предполагает образование защитной пленки на поверхности металла. Для этого используются высококонцентрированные растворы фосфорной кислоты и дигидроортофосфат марганца (II). Температура фосфатирования — до +100 °C.
При химической реакции, которая основана на окислительно-восстановительных процессах, металл покрывается защитной пленкой. В ее состав входят пассивные соли.
Анодирование
Суть метода, который является разновидностью оксидирования, заключается в нанесении на металлическую поверхность слоя оксида алюминия. Роль восстановителя играют концентрированные кислоты: серная, хромовая, бромоводородная, щавелевая. Функцию окислителя выполняет алюминий.
Метод анодирования применяется для антикоррозионной защиты декоративных металлов.
Электрохимические способы защиты от коррозии
Такие способы активно используются при строительстве сооружений — как наземных, так и подземных. Защита от коррозии электрохимическими способами базируется на законе сохранения заряда.
В качестве заряда выступает постоянный переход электронов, который осуществляется за счет связки гальванического элемента.
Катодная защита
Этот способ демонстрирует высокую эффективность при защите аппаратуры промышленных предприятий, а также подземных сооружений, газопроводов, резервуаров.
В основе метода лежит катодная поляризация металла. Изделие/конструкция подсоединяется к отрицательному полюсу источника электротока, а положительный полюс подключается к аноду — металлической болванке.
Таким образом, запускаются постоянные восстановительные процессы, которые защищают конструкцию от коррозии. При этом окислительные процессы проходят на аноде.
Именно он подвергается разрушающему воздействию. При использовании в агрессивном грунте вокруг анода следует обустроить дополнительный слой из смеси кокса, хлорида натрия и сульфата кальция.
Катодный метод достаточно эффективен при защите конструкций, размещенных в среднеагрессивных грунтах.
Протекторная защита
Для применения такого метода не требуются сторонние источники питания. Протекторная защита основывается на окислительно-восстановительных реакциях.
Протектор в виде металлической болванки выполняет функцию анода. Со временем он окисляется, в результате чего высвобождаются электроны. Катод — защищаемая конструкция — при этом непрерывно находится в процессе восстановления и остается в безопасности до полного разрушения анода.
Эффективность метода определяет расстояние между протектором и защищаемой конструкцией. Оно зависит от электропроводности грунта. Чем выше этот показатель, тем дальше можно разместить протектор.
Отметим, что протекторная защита редко используется как самостоятельный метод. Как правило, она совмещается с применением неметаллических изоляционных покрытий.
Анодная защита
Такой способ используется при защите конструкций, компоненты которых при определенных условиях переходят в пассивное состояние (хром, никель, титан и т. д.).
Анодная защита основывается на создании окислительно-восстановительной цепочки. Здесь в качестве анода выступает сама конструкция, а катодом является металлическая болванка. Процесс запускается за счет источника постоянного тока, который создает поляризацию.
Этот метод применяется для защиты конструкций в агрессивных средах с высокой электропроводностью.
Изменение свойств коррозионной среды
Чтобы снизить скорость разрушения металлической конструкции, можно изменить состав грунта, удалив из него способствующие коррозии вещества.
Для этого проводится:
- обдувка инертными газами;
- химическая обработка грунта;
- обезвоживание влажной почвы;
- обескисливание грунта;
- удаление активных веществ методом абсорбции.
Наиболее распространенный способ — введение в грунт ингибиторов, т. е. веществ, которые замедляют разрушительные процессы.
Заключение
Коррозия металлов и способы защиты от нее — вопрос, решение которого требует комплексного подхода. Существует множество эффективных методов, позволяющих бороться с разрушением металлических изделий и конструкций.
При выборе того или иного способа, с помощью которого проводится защита металлов от коррозии, необходимо учитывать не только состав и свойства материала. Также важно принимать во внимание условия эксплуатации конструкции, в том числе особенности грунта и местный климат.
Тщательный сбор информации и точные расчеты помогут решить, какой метод антикоррозионной защиты наиболее эффективен.