Выбор конструкционного материала и способа защиты для изготовления и хранения раствора:

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

Тверской  государственный технический университет

Кафедра «Технология полимерных материалов» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа

По курсу  «Химическое сопротивление и  защита от коррозии»

Выбор конструкционного материала и способа защиты для  изготовления и хранения раствора:

                                                                                   Выполнил: студент группы МАХП – 0908

                                   Матвеев Д.В.

                                                     Проверил: Комаров А.М. 
 
 

Тверь 2010 
 

Содержание

Введение……………………………………………………………………3

1. Аналитический  обзор…………………………………………………..4

     1.1 Механизм коррозии металлов в кислотах …………………...4

     1.2 Материалы устойчивые в растворе ………….………...5

     1.3 Методы защиты от коррозии в растворе……………………..6

2. Выбор материала для изготовления емкости хранения...................12

3. Выбор  и способа защиты…………………………….........................13

4.Коррозия в почвах……………………………………………………..14

5.Способы  защиты от подземной коррозии……………………………16

5.1 Изоляционные покрытия трубопроводов…………………...16

5.2 Катодная защита  трубопроводов……………………………16

6.Расчет катодной защиты трубопровода……………………………...18

Заключение………………………………………………………………...20

Список  использованной литературы……………………………………21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

  В современном мире численность населения  Земли быстро возрастает. В 1850 г. оно  составляло 1,2 млрд. человек, к 1950 г. увеличилось до 2,5 млрд. человек, а в 2011 г. — 7 млрд. человек. Соответственно растут и потребности людей, причем не пропорционально росту их численности, а более высокими темпами. Удовлетворить эти непрерывно умножающиеся потребности можно только за счет развития производства. Так, если за последнюю четверть века население планеты возросло в 1,6 раза, то объемы основных производств — в 2-5 раз.

  Промышленность  Российской Федерации имеет более 20000 предприятий с разнообразными технологиями производства. Оборудование для них изготавливают на основе сплавов черных и цветных металлов, а также из природных или искусственных химически стойких материалов. Со временем оно стареет или разрушается вследствие коррозии. Это приносит не только большие экономические потери, но и приводит к глобальным экологическим катастрофам.

    Экономический и экологический ущерб, наносимый нашей планете коррозией металлических изделий, оборудования и конструкций, неисчислим. В Российской Федерации ежегодные потери металлов из-за их коррозии составляют до 12% общей массы металлофонда, что соответствует утрате до 30% ежегодно производимого металла. Кроме столь огромных связанных с коррозией прямых потерь, существуют еще большие косвенные потери. К ним относятся расходы, обусловленные потерей мощности металлического оборудования, его вынужденными простоями из-за аварий, а также расходы на ликвидацию последствий аварий, часто носящих характер экологических катастроф. Как правило, металлическое изделие, пришедшее в негодность вследствие коррозионных разрушений, отправляют на переплавку. В этом случае общие потери будут включать безвозвратные потери металла, перешедшего в продукты коррозии, стоимость изготовления металлических изделий и косвенные потери. По статистическим данным безвозвратные потери составляют 8-12% от первоначальной массы металла. Стоимость изготовления металлических конструкций зачастую превосходит стоимость самого металла. К косвенным потерям относят расходы, связанные с отказом в работе металлического оборудования, с его простоями и ремонтом, связанные не в последнюю очередь с износом стыковых соединений, выполненных с помощью незащищенных крепежных изделий. Суммарно в большинстве стран потери от коррозии составляют 4-6% национального дохода.

    Росту потерь от коррозии способствует постоянное интенсивное развитие наиболее металлоемких отраслей промышленности, например, энергетики (тепловой и атомной), транспорта (в том числе трубопроводного), металлургии, химической, нефтяной и нефтехимической промышленности и др., а также ужесточение условий эксплуатации металла, как в промышленности, так и в городском хозяйстве. Все это указывает на исключительную важность проблемы борьбы с коррозией металлов, а следовательно, и на большую значимость развития научно-технических работ в данной области. Но главное, что определяет необходимость первоочередного решения проблемы научного подхода к поиску оптимальных путей противокоррозионной защиты металлов, связано с безвозвратностью затрат на борьбу с коррозией металлических изделий и конструкций и невосполнимостью из­расходованных при этом земных ресурсов.

  Химическая  промышленность производит в настоящее  время свыше 90 тысяч наименований разнообразных химических продуктов. Но лишь 1/5 от этого количества производится на основе всесторонних и действительно  научных разработок. Технология производства около 80% из них не оптимизирована.

  Необходимо  отметить, что создание самых совершенных  машин и аппаратов не гарантирует  их от разрушений. Повышение надежности, экологической безопасности технических  систем предъявляет особо жесткие требования к качеству конструкций и монтажа. В условиях несовершенства производства, нарушения технологий эксплуатации, износа оборудования вероятность «отказов» и аварий возрастает.

  Степень удовлетворенности страны основными  средствами защиты металлоконструкций существенно ниже необходимой. В частности, потребность в лакокрасочных покрытиях и ингибиторах удовлетворяется на половину, а в защите готового металлопроката, например, в трубах с покрытиями — менее чем на 30%.

  Наибольшие  потери от коррозии несут топливно-энергетический комплекс (ТЭК), сельское хозяйство, химия и нефтехимия. Так, потери металла от коррозии составляют: в ТЭК — 30%, химии и нефтехимии — 20%, сельском хозяйстве — 15%, металлообработке — 5%.

  Для нахождения путей практического решения тех или иных задач, возникающих в результате коррозионного разрушения различных металлических объектов, необходимо, в первую очередь, понимание законов такого разрушения, т.е. теории коррозии металлов. Это требует рассмотрения общих вопросов, к которым, кроме механизма коррозии металлов, следует отнести такие разделы, как: диагностика конструкций и оборудования потенциально опасных производств и объектов; оценка прочности и остаточного ресурса эксплуатируемых конструкций и оборудования объектов повышенной опасности; разработка ресурсосберегающих технологий сварки и смежных процессов для повышения надежности работы конструкций; сертификация и нормирование, как основа обеспечения качества оборудования; экологические и социально-экономические проблемы обеспечения надежности эксплуатации потенциально опасных объектов./1/

1.Аналитический  обзор

1.1.Механизм коррозии  металлов в кислотах

Механизм электрохимической  коррозии. Коррозия металла в средах, имеющих ионную проводимость, протекает  через анодное окисление металла:

     и катодное восстановление окислителя (Ох)

  Окислителями  при коррозии служат ионы . Наиболее часто при коррозии в кислотах наблюдается выделение водорода

Коррозия с участием ионов водорода называется коррозией с выделением водорода (коррозией с водородной деполяризацией) (рис.1).

  Кроме анодных и катодных реакций при  электрохимической коррозии происходит движение электронов в металле и  ионов в электролите. Электролитами могут быть растворы солей, кислот, оснований, морская вода, почвенная вода, вода атмосферы, содержащая , , и другие газы.

Рис. 1. Схема коррозии стали в растворе с выделением водорода.

  Химическая  энергия реакции окисления металла  передается не в виде работы, а лишь в виде теплоты. Схема электрохимической  коррозии железа в контакте с углеродом  приведена на (рис.1).

На анодных  участках происходит реакция окисления  железа . На катодных участках происходит восстановление водорода .

  Причинами энергетической неоднородности поверхности  металла и сплава могут быть неоднородность сплава по химическому и фазовому составам, наличие примесей в металле, пленок на его поверхности и др. На поверхности металла могут быть участки, на которых катодные реакции протекают быстрее (катализируются), чем на других участках. Поэтому катодный процесс в основном будет протекать на участках, которые называются катодными. Наличие участков, на которых катодные реакции протекают быстрее, увеличивает скорость коррозионного процесса. На других участках будет протекать в основном растворение металла и поэтому они называются анодными./1/

1.2.Материалы  устойчивые в растворе 

  Серная  кислота в диапазоне концентраций от 10 до 90%, как известно, особенно коррозионно-активна. Специальные металлы, такие как  титан, подвергаются быстрой коррозии в серной кислоте при температурах ниже 100⁰C. Очень немногие экзотические металлы (цирконий и тантал) могут применяться в серной кислоте выше температуры кипения.

Тантал (Та)

    Элемент V группы Периодической  системы. Металл стального цвета  с синеватым оттенком. Тантал  открыт в 1802 г. швед, химиком  А. Г. Экбергом. Металлический  тантал впервые получил в 1903 г. немецкий химик В. фон Болтон. Тантал в соединениях проявляет преимущественно степень окисления +5. Металлический тантал стоек в большинстве агрессивных сред, в т.ч. в «царской водке». Взаимодействует с и выше 50-100 °С. /2/

Цирконий (Zr)

  Элемент IV группы Периодической системы. Серебристо-белый  металл с характерным  блеском. Порошкообразный Zr был получен в 1824 г. шведским химиком  И. Берцелиусом, а пластичный — в 1925 г. нидерландскими химиками А. ван  Аркелом и И. де Буром при термической диссоциации иодидов Zr. Стоек в кипящей при концентрации до 70%./2/ 
 

Свинец (Pb)

  Элемент IV группы Периодической системы. Тяжелый металл голубовато-серого цвета, очень мягкий и пластичный (режется ножом). Стоек в растворе при концентрации меньше 96% при комнатной температуре. Скорость коррозии в кипящих растворах, содержащих менее 80% составляет менее 2мм/год; в кипящей 20% - 0,08мм/год./2/

Хастеллой

  Общее название группы коррозионностойких  Ni-сплавов систем Ni-Мо и Ni-Cr-Mo. Стойки в , но склонны к межкристаллитной коррозии после нагрева при 600-850 °С. В России производят хастеллой марок Н70МФ, ХН65МВ и др./2/

Полимербетон (пластобетон)

  Пластобетон является одним из видов бетона, в котором в качестве связывающего вещества применяются термореактивные смолы, такие как полиэфирные и эпоксидные с отвердителями, а также термопластичные смолы. Технология полимербетона не отличается существенно от приготовления обычных цементных бетонов. Примерный состав полимербетона (% по массе): щебень гранитный 51, песок кварцевый 26, кварцевая мука 11, фурфуролацетоновый мономер - ФАМ (продукт конденсации в щелочной среде эквимолярных количество фурфурола и ацетона) 10, бензолсульфокислота 2./6/

Резины гуммировочные

  Сочетание резины и эбонита с различными физико-механическими свойствами и химической стойкостью дает возможность подобрать для каждого аппарата в зависимости от условий его эксплуатации наиболее долговечное покрытие, состоящее из одного или нескольких сортов резины./6/

Полимерные  материалы

  Полимеры  — неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы  химическими или координационными связями.

  Отличаются  широкими возможностями регулирования  состава, структуры и свойств. Основные достоинства полимерных материалов: низкая стоимость, сравнительная простота, высокая производительность, малая энергоемкость и малоотходность методов получения и переработки, невысокая плотность, высокая стойкость к агрессивным средам, атмосферным и радиационным воздействиям и ударным нагрузкам, низкая теплопроводность, хорошие адгезионные свойства. Недостатки полимерных материалов: низкая тепло- и термостойкость, большое тепловое расширение, склонность к ползучести и релаксации напряжений; для многих полимерных материалов - горючесть./6/

1.3. Методы защиты от коррозии в растворе

  В зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются  различные методы защиты. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью в данном конкретном случае, а также экономической целесообразностью.

  Материалами для изготовления защитного покрытия могут служить металлы и сплавы неорганические и органические соединения.

    Перед нанесением защитного покрытия необходимо тщательно подготовить поверхность защищаемого металла: очистить от загрязнений, обезжирить, протравить, а перед нанесением лакокрасочных покрытий – подвергнуть изделие оксидированию или фосфатированию, затем изделие промывают теплой или холодной водой и сушат.

       Металлические защитные покрытия  по полярности относительно защищаемого  металла делятся на катодные  и анодные. Катодные металлические  покрытия относительно металла  основы имеют в данной агрессивной  среде более положительный электродный потенциал. Анодные металлические покрытия – более отрицательный электродный потенциал.

       Катодные покрытия защищают металл  только механически, так как  при частичном разрушении покрытия  оголенные участки поверхности металла начинают разрушаться. Анодные покрытия защищают металл механически и электрохимически, так как даже при частичном разрушении покрытия оголенные участки поверхности, являясь катодами, не разрушаются.

  Для определения полярности металла  покрытия относительно металла основы измеряют их электродные потенциалы в данной агрессивной среде с помощью милливольтметра pН-340.

  Металлические защитные покрытия наносят различными способами:

       1. Погружение изделия в расплавленный  металл. Металлическое изделие погружают в расплавленный металл (Zn, Sn, Pb или А1) и после извлечения из расплава охлаждают. Недостатками этого метода являются: перерасход металла из-за образования более толстых, чем это необходимо для защиты от коррозии, слоев покрытия; неравномерность толщины покрытия и вредные условия труда.

       2. Напыление металла. Металлическую  проволоку расплавляют в металлизаторе  и потоком инертного газа наносят  на металлическое изделие. Недостатком  данного метода является пористость  получаемого покрытия. Для устранения пористости и увеличения его защитных свойств применяют пропитку пористого слоя напыленного металла маслом и смазками или окраску лакокрасочными материалами. Наиболее часто этим способом наносят алюминий.

       3. Плакирование – это горячая  прокатка двух или трех металлических листов, один из которых является защищаемым. Этим методом получают защитные слои из нержавеющих сталей. Разновидностью плакирования является другой метод нанесения металлов – наварка коррозионностойкой стали на углеродистые стали. Порошок нержавеющей стали, смешанный с флюсом, наносят на защищаемую поверхность и наваривают металл с помощью электродугового сварочного аппарата. Этот метод используют для защиты фланцев трубопроводов от щелевой коррозии.

       4. Гальванический способ. Нанесение металла (Сu, Zn, Pb, Sn, Ni, Cr и др.) или сплава (Cu-Zr, Cu-Sn, Cu-Pb, Sn-Ni, Fe-Ni-Cr и др) производят в электролитических ваннах (электролизерах). Покрываемое изделие подвешивается на катодной штанге или ином приспособлении для крепежа и погружается в электролизер. На катоде происходит процесс электролитического осаждения металла. Кроме того, одновременно возможен процесс восстановления водорода, поэтому часть электрического тока расходуется на эту побочную реакцию./5/

1.3.1. Легирование

  Имеется способ уменьшения коррозии металлов, который строго нельзя отнести к защите. Этим способом является получение сплавов, которое называется легирование. В настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали, действительно, не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия имеет место, хотя и с малой скоростью. Оказалось, что при использовании легирующих добавок коррозионная стойкость меняется скачкообразно. Установлено правило, названное правилом Таммана, согласно которому резкое повышение устойчивости к коррозии железа наблюдается при введении легирующей добавки в количестве 1/8 атомной доли, то есть один атом легирующей добавки приходится на восемь атомов железа. Считается, что при таком соотношении атомов происходит их упорядоченное расположение в кристаллической решетке твердого раствора, что и затрудняет коррозию.

  Сопротивление нержавеющей стали к коррозии напрямую зависит от содержания хрома: при его содержании 13 % и выше сплавы являются нержавеющими в обычных условиях и в слабоагрессивных средах, более 17 % — коррозионностойкими и в более агрессивных окислительных и других средах./1/

  В применяют сложнолегированные сплавы с высоким содержанием Ni и присадками Mo, Cu, Si.

1.3.2. Электрохимическая защита

  В производственных условиях используют также электрохимический способ – обработку изделий переменным током в растворе фосфата цинка  при плотности тока 4 А/дм² и напряжении 20 В и при температуре 60-70⁰ С. Фосфатные покрытия представляют собой сетку плотносцепленных с поверхностью фосфатов металлов. Сами по себе фосфатные покрытия не обеспечивают надежной коррозионной защиты. Преимущественно их используют как основу под окраску, обеспечивающую хорошее сцепление краски с металлом. Кроме того, фосфатный слой уменьшает коррозионные разрушения при образовании царапин или других дефектов./1/

1.3.3. Силикатные покрытия

  Для защиты металлов от коррозии используют стекловидные и фарфоровые эмали, коэффициент  теплового расширения которых должен быть близок к таковому для покрываемых металлов. Эмалирование осуществляют нанесением на поверхность изделий водной суспензии или сухим напудриванием. Вначале на очищенную поверхность наносят грунтовочный слой и обжигают его в печи. Далее наносят слой покровной эмали и обжиг повторяют. Наиболее распространены стекловидные эмали – прозрачные или загашенные. Их компонентами являются SiO₂ (основная масса), B₂O₃, Na₂O, PbO. Кроме того, вводят вспомогательные материалы: окислители органических примесей, оксиды, способствующие сцеплению эмали с эмалируемой поверхностью, глушители, красители. Эмалирующий материал получают сплавлением исходных компонентов, измельчением в порошок и добавлением 6-10% глины. Эмалевые покрытия в основном наносят на сталь, а также на чугун, медь, латунь и алюминий.

  Эмали обладают высокими защитными свойствами, которые обусловлены их непроницаемостью для воды и воздуха (газов) даже при  длительном контакте. Их важным качеством  является высокая стойкость при  повышенных температурах. К основным недостаткам эмалевых покрытий относят чувствительность к механическим и термическим ударам. При длительной эксплуатации на поверхности эмалевых покрытий может появиться сетка трещин, которая обеспечивает доступ влаги и воздуха к металлу, вследствие чего и начинается коррозия./1/

1.3.4. Цементные покрытия

  Для защиты чугунных и стальных водяных труб от коррозии используют цементные покрытия с добавлением в них жидкого стекла. Поскольку коэффициенты теплового расширения портландцемента и стали близки, то он довольно широко применяется для этих целей. Недостаток портландцементных покрытий тот же, что и эмалевых, – высокая чувствительность к механическим ударам./1/

1.3.5. Покрытие металлами

  Широко  распространенным способом защиты металлов от коррозии является покрытие их слоем других металлов. Покрывающие металлы сами корродируют с малой скоростью, так как покрываются плотной оксидной пленкой. Покрывающий слой наносят различными методами:

• горячее покрытие – кратковременное погружение в ванну с расплавленным металлом;
• гальваническое покрытие – электроосаждение из водных растворов электролитов;
• металлизация – напыление;
• диффузионное покрытие – обработка порошками при повышенной температуре в специальном барабане;
• с помощью газофазной реакции, например:

                       3CrCl₂ + 2Fe   ^{1000 ‘ C}   2FeCl₃ + 3Cr (в расплаве с железом). 

  Имеются и другие методы нанесения металлических  покрытий. Например, разновидностью диффузионного  способа является погружение изделий  в расплав хлорида кальция, в котором растворены наносимые металлы.

  В производстве широко используется химическое нанесение металлических покрытий на изделия. Процесс химического  металлирования является каталитическим или автокаталитическим, а катализатором  является поверхность изделия. Используемый раствор содержит соединение наносимого металла и восстановитель. Поскольку катализатором является поверхность изделия, выделение металла и происходит именно на ней, а не в объеме раствора. В настоящее время разработаны методы химического покрытия металлических изделий никелем, кобальтом, железом, палладием, платиной, медью, золотом, серебром, родием, рутением и некоторыми сплавами на основе этих металлов. В качестве восстановителей используют гипофосфит и боргидрид натрия, формальдегид, гидразин. Естественно, что химическим никелированием можно наносить защитное покрытие не на любой металл.

  Металлические покрытия делят на две группы:

• коррозионностойкие;
• протекторные.

  Например, для покрытия сплавов на основе железа в первую группу входят никель, серебро, медь, свинец, хром. Стоит отметить что для защиты металла в кислой среде используют металлы именно первой группы, т.к. металлы, относящиеся к группе протекторных относительно быстро растворяются. Вследствие чего не обеспечивают требуемой защиты.

  Металлические покрытия защищают железо от коррозии при сохранении сплошности. При нарушении  же покрывающего слоя коррозия изделия  протекает даже более интенсивно, чем без покрытия. Это объясняется  работой гальванического элемента железо–металл. Трещины и царапины заполняются влагой, в результате чего образуются растворы, ионные процессы в которых облегчают протекание электрохимического процесса (коррозии)./1/

1.3.6. Ингибиторы

  Применение  ингибиторов – один из самых эффективных  способов борьбы с коррозией металлов в различных агрессивных средах. Ингибиторы  – это вещества, способные в малых количествах замедлять протекание химических процессов или останавливать их. Название ингибитор происходит от латинского inhibere, что означает сдерживать, останавливать. Ещё по данным 1980 года, число известных науке ингибиторов составило более пяти тысяч. Ингибиторы дают народному хозяйству немалую экономию.

  Ингибирующее  воздействие на металлы, прежде всего  на сталь, оказывает  целый ряд  неорганических и органических веществ, которые часто добавляются в среду, вызывающую коррозию. Ингибиторы имеют свойство создавать на  поверхности металла очень тонкую пленку, защищающую металл от коррозии.

  Ингибиторы  в соответствии с Х. Фишером можно  сгруппировать следующим образом.

  1)    Экранирующие, то есть покрывающие поверхность металла тонкой пленкой. Пленка образуется в результате поверхностной адсорбции. При воздействии  физических ингибиторов химических реакций не происходит           

  2)  Окислители (пассиваторы) типа хроматов, вызывающие образование на поверхности металла плотно прилегающего защитного слоя окисей, которые замедляют  протекание анодного процесса. Эти слои не очень стойки и при определенных условиях   могут подвергаться восстановлению. Эффективность пассиваторов зависит от   толщины  образующегося защитного слоя и его проводимости;                

  3)  Катодные – повышающие перенапряжение катодного процесса. Они замедляют коррозию в растворах неокисляющих кислот. К таким ингибиторам   относятся соли или окислы мышьяка и висмута.                          

  Эффективность действия ингибиторов зависит в  основном от условий  среды, поэтому  универсальных ингибиторов нет. Для их выбора требуется проведение исследований и испытаний.