Методы и средства защиты от коррозии
Оглавление
Введение
Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами и, прежде всего, легкоплавким оловом.
Задачей химиков было и остается выяснение сущности явлений коррозии, разработка мер, препятствующих или замедляющих её протекание. Коррозия металлов осуществляется в соответствии с законами природы и поэтому ее нельзя полностью устранить, а можно лишь замедлить.
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. Любой метод защиты изменяет ход коррозионного процесса, либо уменьшая скорость, либо прекращая его полностью.
1 Защита металлов от газовой коррозии
Для защиты от газовой коррозии используют жаростойкое легирование, создание защитных атмосфер, защитные покрытия.
1.1 Жаростойкое легирование
Жаростойкое легирование – целенаправленное введение в защищаемый металл элементов, повышающих его сопротивляемость газовой коррозии.
Легирование наиболее надежно защищает металл от коррозии, причем наиболее эффективно в условиях воздействия механических напряжений и коррозийной среды. Легирование позволяет предотвратить и коррозийное растрескивание изделий.
Существуют три теории
жаростойкого легирования в зависимости
от предполагаемого механизма
1)ионы легирующего компонента входят в решетку окисла основного металла, уменьшая его дефектность и соответственно скорость диффузии в решетке;
2)легирующий компонент
образует на поверхности
3) легирующий компонент с основным металлом образует двойные окислы типа шпинелей (сложные оксиды), обладающие повышенными защитными свойствами.
Защитные слои от высокотемпературной коррозии могут быть созданы из тугоплавких соединений, обладающих низкой диффузионной проницаемостью для агента коррозии (О, N, галогены). Для повышения коррозионной устойчивости металлов и сплавов их легируют поверхностно или объемно другими металлами.
Жаростойкое или объемное легирование осуществляют одновременно с получением того или иного конструкционного металла. Вводятся такие легирующие компоненты, которые увеличивают жаропрочность и, кроме того, обладают высокой диффузионной способностью в данном металле или сплаве и, выходя на поверхность, образуют устойчивые оксидные слои.
Поверхностное легирование представляет собой насыщение поверхности данного сплава металлом, обладающим прочным оксидным слоем, - аллитирование, хромирование, силицирование и т. д. При нанесении на поверхность данного металла легирующего компонента возможно образование между ними интерметаллидов.
1.2 Защитные атмосферы
Защитные атмосферы
частично или полностью предотвращают
окисление конструкционных
Состав контролируемой атмосферы может быть рассчитан на основании данных о термодинамическом равновесии в системе, состоящей из защищаемого металла, его оксида и соответствующей газовой фазы. Количественное соотношение между окислительными и восстановительными компонентами атмосферы, находящейся в равновесии о металлом, определяется значением константы равновесия Кр или величиной стандартного изменения изобарно-изотермического потенциала ΔGр конкретной реакции окисления при данной температуре. Отклонение состава газовой среды от равновесного, в ту или иную сторону, вызывает преимущественное протекание процесса окисления металла или восстановления его оксида.
Окислительными компонентами, наиболее часто встречающимися в атмосферах промышленных нагревательных устройств, являются О2, СО2, Н2О и некоторые другие соединения.
Стандартное изменение ΔG0т реакции может быть получено из стандартных свободных энергий образования участников данной реакции с учетом знаков и стехиометрических коэффициентов.
В сложных газовых смесях возможно протекание реакций, способных заметно изменить условия безокислительного нагрева. В частности, при снижении температуры в атмосфере, состоящей из СО и СО2, усиливается процесс диссоциации окиси углерода по реакции 2СО = СО2 + С, что повышает содержание СО2 в газовой фазе, а, следовательно, и окисляющую способность атмосферы.
Для определения условий
безокислительного нагрева
Взаимодействие металлов с некоторыми атмосферами при повышенных температурах может приводить не только к окислению, но и науглероживанию или обезуглероживанию стали, насыщению металлов водородом и образованию нитридов, что в большинстве случаев является нежелательным.
Протекание реакций в обратном направлении будет вызывать науглероживание металла. Для сохранения исходного содержания углерода в стали в процессе нагрева, необходимо обеспечить условия, точно отвечающие состоянию равновесия металла с данной атмосферой. Расчет состава атмосферы, предотвращающей перераспределение углерода между металлом и газовой фазой, возможен при использовании термодинамических данных о равновесии в конкретной системе, которые в целях простоты проведения анализа, также изображены графически в виде кривых равновесия.
1.3 Защитные покрытия
Защитные покрытия представляют собой слой, искусственно создаваемый на поверхности металла с целью предохранения его от коррозии. Могут быть органические, неорганические или металлические.
1.3.1 Органические защитные слои
При консервации изделий применяется смазка неокисляющимися маслами (углеводороды, устойчивые к окислению). Масла наносятся при повышенной температуре (для улучшения смачивания, понижения вязкости) и, застывая, образуют слой, защищающий металл от электролитной среды и воздуха.
Лакирование - нанесение высокомолекулярных соединений, растворенных в летучем растворителе, на поверхность металла. После испарения растворителя на металле остается полимерный слой, не пропускающий окислитель и обладающий электроизоляционными свойствами. Лаки изготовляются из естественных смол (шеллак) или из синтетических полимеров (фенолоальдегидные, глифталевые, силиконовые и др.).
Окраска металлических поверхностей сопровождается образованием полимера непосредственно на поверхности металла в процессе нанесения краски и ее отвердевания. Масляная краска представляет собой смесь частично окисленного масла (олифа) и пигмента-красителя. При нанесении краски тонким слоем на зачищенную до блеска поверхность металла масло быстро окисляется кислородом воздуха и затвердевает, образуя на поверхности металла плотную пленку, которая и защищает металл от коррозии.
1.3.2 Неорганические защитные слои
Наиболее распространены оксидные и фосфатные защитные пленки. Процесс получения на металле оксидных покрытий называется оксидирование, а фосфатных – фосфатирование.
Оксидирование металлов сводится к созданию на поверхности металла слоя оксида, через который диффузия кислорода была бы ничтожно малой. Методы нанесения оксидных слоев можно разделить на термические, химические и электрохимические (основной способ).
Термические методы оксидирования применяются редко, так как окисление металлов при высокой температуре вызывает коробление деталей. При этом методе нагретые до 450-470 0С стальные детали помещают в льняное масло или при 300 0С в расплав солей с содержанием 55% NaNO2 и 45% NaNO3. В первом случае на поверхности защищаемого металла образуется пленка черного цвета, во втором – синего.
Химическое оксидирование идет при более низких температурах и в ряде случаев сохраняет не только форму, но и размеры обрабатываемых деталей. Химическое оксидирование стали осуществляется кипячением изделий при 135-145 0С в растворе состава, г/л: NaOH 600-700; NaNO2 200-250; NaNO3 500-100. Время обработки зависит от содержания углерода в стали; чаще всего 30-90 минут. В результате взаимодействия железа с щелочью и окислителем на поверхности образуется оксидная пленка толщиной 0,6-3,0 мкм, скорость её роста зависит от концентрации щелочи, окислителя и температуры проведения процесса.
Электрохимическое
оксидирование использует
На аноде: SO42- + H2O – 2e → SO42- + 2H+ + O (1)
МеО + О → МеО.
Толщина окисных пленок в щелочной ванне обычно достигает 0,8 мкм. Пленки бòльшей толщины можно получить при использовании более концентрированных растворов щелочи, но они будут низкого качества из-за образования гидроокиси железа в слое окисла. При необходимости используют 2-х стадийное оксидирование: сначала в ванне с разбавленным раствором щелочи, а потом в более концентрированном. Толщина пленки в этом случае достигает 1,5 мкм.
Фосфатирование металлической поверхности представляет собой процесс осаждения нерастворимых фосфатов этого металла. Сущность процесса фосфатирования сводится к усреднению дигидрофосфатов до фосфатов, нерастворимых в воде, за счет растворения поверхности металла:
Fe(H2PO4)2+ 2Fe2+ → Fe3(PO4)2 ↓ + 4H+. (2)
Электролит: раствор «Мажеф» Fe(H2PO4)2 + Mn(H2PO4)2, или раствор гидрофосфатов цинка Zn(H2PO4)2. Продолжительность процесса 0,5-2 ч, температура 96-98 0С. Процесс фосфатирования может быть ускорен наложением переменного тока (плотностью 40 А/м2 при напряжении 20 В). При 57-60 0С процесс заканчивается в течение 4-5 мин.
Иногда применяют обработку фосфатированного изделия в 7-9%-ном растворе бихромата натрия, который заполняет поры и пассивирует нефосфатированные участки поверхности металла.
1.3.3 Металлические защитные покрытия
Наносят на поверхность изделия тонким слоем металла, обладающего достаточной стойкостью в данной среде. Металлические покрытия также придают поверхностным слоям металлоизделий требуемую твердость, износостойкость. Различают два типа металлических покрытий - анодное и катодное.
Металлические покрытия наносят различными способами: горячий метод, гальванизация и металлизация.
Для нанесения металлических защитных покрытий надо выбирать металлы, оксидный слой на поверхности которых делает их пассивными (А1, Zn, Sn, Cr, Pb, Ni), или металлы, пассивные по своим химическим свойствам (Au, Ag, Сu). Кроме того, надо учитывать условия эксплуатации изделия.
Высокотемпературные методы:
1) Метод окунания применим
для нанесения покрытий из
легкоплавких металлов на
2) Металлизация - это нанесение металлических покрытий на поверхность изделия распылением жидкого металла. Проволока металла, который наносится в качестве защитного слоя, подается в ацетиленокислородное пламя, в дуговой или плазменный разряд - металл плавится и частично испаряется. Мельчайшие капли и пары металла струей газа транспортируются на поверхность изделия и кристаллизуются на ней. Поверхность изделия должна быть тщательно очищена, так как иначе не будет прочного сцепления нанесенного слоя с металлом изделия.
3) Вакуумное испарение. Покрытия, наносимые этим способом, не только защищают металл от коррозии, но и упрочняют его поверхность. Этот метод используют в ремонтно-восстановительных работах для наращивания изношенного слоя металла.
4) Плакирование - нанесение пленок защитного металла путем совместного проката. Метод приемлем только для листов и некоторых профилей проката (пруток, угольник и пр.).
Электрохимические методы:
Основаны на электролизе. Металлические защитные слои в этом случае осаждаются на поверхности изделия, которое в электролизере представляет собой катод и находится под отрицательным потенциалом. Покрытие должно иметь мелкокристаллическую структуру и быть сплошным - без пор и трещин. Разработаны определенные режимы осаждения, обеспечивающие эти качества покрытий (температура, плотность тока и состав электролита). Для получения мелкозернистой структуры в состав электролита вводят поверхностно-активные вещества и органические добавки, препятствующие росту отдельных кристаллических зерен (декстрин, ализариновое масло и т. д.).
При выборе покрытий следует учитывать относительную активность основного металла и металла покрытия (катодное или анодное покрытие).
Механическая прочность покрытия исследуется различными путями — действием струи кварцевого песка или движением заточенного на полусферу металлического стержня под определенной нагрузкой.
Химическая стойкость
определяется временем, которое необходимо
для растворения пленки определенным
реактивом. Время измеряется от начала
испытания для появления
2 Защита металлов от электрохимической коррозии
2.1 Методы снижения агрессивности коррозионных процессов
На выбор метода защиты от электрохимической коррозии оказывает влияние состав и кислотность электролитов. По этому признаку в качестве защитного мероприятия могут быть применены различные способы.
Для защиты металлических конструкций от коррозии в нейтральных аэрируемых средах (процессы электрохимической коррозии с кислородной деполяризацией) используются следующие приемы:
1) Применение устойчивых металлов и сплавов
а) с повышенной термодинамической устойчивостью, например медь и сплавы на ее основе (латуни и бронзы), являющиеся достаточно устойчивыми в морской воде (j0Cu= + 0,35 B);
б) склонные к пассивированию: алюминий (j0Al= -1,67 B), титан (j0Ti = -1,63B), никель(j0Ni = -0,25 B);
в) покрывающиеся защитными пленками вторичных, труднорастворимых продуктов коррозии (Zn в H2O, Pb в сульфатных растворах).
2) Удаление из электролита деполяризатора-кислорода (деаэрация электролита, обескислороживание). Деаэрируют воду, использующуюся для охлаждения паровых котлов, турбин, систем охлаждения металлургических агрегатов, термических печей и т.д.
3) Введение в электролит различных добавок, замедляющих течение коррозии.
Причина торможения коррозионного процесса в этом случае – торможение анодного процесса за счет введения в электролит веществ – пассиваторов (K2CrO4, NaNО2 и др.)
4) Создание на поверхности металлических материалов защитных покрытий:
-металлические (Zn-,Cd-,Ni-,Pb - покрытия на поверхности стальных изделий);
По способу защитного действия металлические покрытия делятся на катодные и анодные.
Катодные покрытия из Pb,Cu,Ni созданные на поверхности стальных изделий защищают последние чисто механически, т.к. величина их электродного потенциала (jп) больше, чем у стали (jп > jFe ). Поэтому главное, предъявляемое к ним требование - их беспористость.
Анодные покрытия из Zn ,Cd , ввиду того, что jп < jFe, защищают изделие не только механически, но главным образом электрохимически, участвуя в анодном процессе вместо защищаемого стального изделия.
Основной метод создания металлических покрытий – гальванический. В последние годы широкое распространение получают методы напыления – плазменное, газофазное, термодиффузионное и др.
- неметаллические (неорганические);
К неметаллическим неорганическим покрытиям относятся оксидные и фосфатные.
-органические (лакокрасочные, асфальто-битумные, полиэтиленовые и другие покрытия).
Для защиты металлических материалов от коррозии в растворах кислот используется ряд следующих способов.
1) Применение кислотостойких металлов и сплавов.
-термодинамически устойчивые металлы, например платина и медь в растворах H2SO4 и HCl;
-пассивирующиеся сплавы - сплавы на железо-никелевой основе, например сплав 04ХН40МДТЮ. Этот сплав предназначен для работы при больших нагрузках в растворах H2SO4. Для работы в растворах H2SO4 ,HCl ,H3PO4 применяется никелевый сплав Н70МФ. Сплавы на основе системы никель-молибден имеют высокое сопротивление коррозии в растворах HNO3. Наибольшее распространение получил сплав ХН65МВ для работы при повышенных температурах во влажном хлоре, растворах H2SO4 и HCl, смесях кислот и других агрессивных средах. Углеродистые и низколегированные стали обладают достаточной устойчивостью в 50-60% (масс.) растворе HNO3, а хромистые – в растворах HNO3 с широким интервалом концентраций.
-сплавы, образующие труднорастворимые пленки продуктов коррозии;
К этой группе сплавов относят сплавы системы железо-кремний, обладающие коррозионной стойкостью в растворах HNO3,H2SO4,HCl,H3PO4, а также железо-углеродистые сплавы (стали) в концентрированной серной кислоте.
-металлические материалы,
Чистые железо, цинк, алюминий весьма устойчивы в слабокислых растворах.
2) Введение в растворы кислот добавок, тормозящих процесс коррозии.
К замедлителям коррозии металлических материалов относятся так называемые травильные присадки. Катионы As3+, Bi3+, образующиеся при растворении присадок восстанавливаются на катодных участках поверхности корродирующего материала и замедляют процесс восстановления ионов водорода, обладая высоким перенапряжением водорода.
3) Нанесение на поверхность металлических материалов кислотостойких защитных покрытий.
-металлические защитные
С целью предотвращения коррозии углеродистых сталей в растворах HCl и HNO3 последние могут подвергаться термосилицированию. Для повышения устойчивости углеродистых сталей в серной кислоте используется свинцевание поверхности.
-создание плакирующего слоя;
Плакирование –
-неметаллические органические покрытия;
Чаще других используются фенол-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, а также асфальто-битумные покрытия. Особую ценность имеют кремнийорганические смолы – органические соединения, в цепях которых кислород частично замещен кремнием. Смешивая их с оксидами титана, можно получать покрытия, стойкие к нагреву до 6000С.
4) Применение устойчивых неорганических материалов
-стекло и эмали;
Эмали – стекловидные покрытия. Кислотостойкие эмали изготавливают с высоким содержанием SiO2, а кислото-щелочестойкие в своем составе имеют диоксид циркония. Эмали получают сплавлением шихты (песок, мел, глина и пр.) и плавней (бура, сода фтористые соли). Их высокая химическая стойкость обусловлена присутствием буры и кремнезема. Эмалевые покрытия получают погружением в расплав или пульверизацией с последующим обжигом до спекания в печи при температуре 880-1050 0С.
-керамика;
керамика – неорганический материал, получаемый обжигом глинистых материалов, состоящих из небольших кристаллов гидратированных алюмосиликатов. Из керамики изготавливают кислотостойкие изделия (плиты, кирпич).
-графит и графитовые материалы;
Эти материалы вследствие их универсальной химической стойкости используются в противокоррозионной технике как футеровочные изделия (плитки, пластины блоки).
-каменное литье и ситаллы;
Каменное литье (КЛ) – материал, получаемый кристаллизацией из расплава, основой которого является диабаз, базальт, андезит. Изделия из КЛ: плитки, фасонные детали, трубы.
Ситаллы – неметаллический неорганический стеклокристаллический материал, получаемый кристаллизацией стекломассы при наличии в ней нуклеаторов (центров кристаллизации). Из ситаллов изготавливают листы (футеровочный материал, трубы, фасонные изделия).
Изделия из КЛ и ситаллов обладают высокой кислотостойкостью при температурах не более 1000С.
2.2 Общие принципы электрохимической защиты
К электрохимическим
методам борьбы с коррозией относятся
такие, в основе которых лежит
принцип непосредственного
В этом качестве чаще используется способ анодной защиты, базирующийся на переводе металлического материала в пассивное состояние.
Эффект электрохимических методов прежде всего выражается в изменении потенциала защищаемого металла.
Изменение потенциала может быть вызвано катодной или анодной поляризацией, а также введением ингибиторов в среду. По этому признаку ингибиторы коррозии, вводимые в агрессивные растворы, можно классифицировать как электрохимический метод защиты. Однако обычно ингибиторы выделяют в особую группу методов, а к электрохимическим способам борьбы с коррозией относят катодную и анодную защиту.
Наиболее широко применяют метод катодной защиты, который основан на замедлении анодной реакции при смещении потенциала в отрицательную сторону. Фактически при катодной поляризации (катодной защите) металл становится более устойчивым благодаря достижению потенциала, соответствующего термодинамически рассчитанному значению потенциала равновесия между металлом и ионами металла в растворе.
Метод анодной защиты
основан на явлении анодной пассивации
металлов, когда в результате анодной
поляризации металла возникает
пассивное состояние, характеризующееся
гораздо меньшей скоростью
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 конструкции, с которого стекает блуждающий ток, с рельсом. При большом расстоянии между участками, когда электродренаж, описанный выше, трудно реализовать, то рядом с конструкцией закапывают дополнительный чугунный анод, который присоединяют металлическим проводником. В этом случае под действием блуждающего тока растворяется именно анод, и коррозия основной конструкции в зоне напряжения будет полностью прекращена. При осуществлении электродренажа важно правильно определить анодные зоны, при ошибочном соединении вместо них катодных зон коррозия подземного сооружения резко возрастет.
2.3 Катодная защита
Катодная защита - наиболее распространенный вид электрохимической защиты. Ее используют для борьбы с коррозией таких металлов, как сталь, медь, латунь, алюминий, в условиях несильно агрессивных сред. Она эффективна для предотвращения коррозионного растрескивания, межкристаллитной коррозии, обесцинкования латуней, питтинга сталей в почвах и морской воде. Наибольшее применение катодная защита получила для борьбы с коррозией подземных сооружений (трубопроводов, газопроводов, кабельных установок), металлических конструкций в морской и речной воде.
Основная идея метода основывается на явлении катодной поляризации: защищаемое металлическое изделие (например, подземный продуктопровод) с помощью внешнего источника тока (катодной станции-выпрямителя) заполяризовывается до потенциала анода, т.е. до величины jоМе. В этом случае оба электрода – анод (металл) и катод (О2 или Н+) достигают одного и того же значения электродного потенциала и коррозия становится термодинамически невероятной. Если металл заполяризовать немного выше потенциала анода, то скорость коррозии также будет равна нулю, но большой ток может вызвать нарушение защитного асфальто-битумного покрытия, поэтому на практике силу тока поддерживают на оптимальном уровне.
Катодную поляризацию можно осуществлять путем присоединения защищаемой конструкции к отрицательному полюсу внешнего источника тока или к металлу, имеющему более электроотрицательный электродный потенциал. В последнем случае нет надобности во внешнем источнике тока, так как образуется гальванический элемент с тем же направлением тока, т. е. защищаемая деталь становится катодом, а более электроотрицательный металл, называемый протектором, - анодом.
2.3.1 Катодная защита внешним током
Схема катодной защиты представлена на рисунке 1. Отрицательный полюс внешнего источника тока 4 присоединен к защищаемой металлической конструкции 1, а положительный полюс - к вспомогательному электроду 2, работающему как анод. В процессе защиты анод активно разрушается и подлежит периодическому восстановлению.
Рисунок 1 – Схема катодной защиты внешним током
В качестве материала
анода применяют чугун, сталь, уголь,
графит, металлический лом (старые трубы,
рельсы и др.). Так как эффективное
сопротивление прохождению
Для защиты сооружений в воде аноды устанавливают на дне рек, озер, морей. В этом случае засыпка не требуется.
1-котел; 2-источник тока; 3-анод
Рисунок 2 – Схема катодной защиты плавильного котла
Катодную защиту заводской аппаратуры (холодильников, теплообменников, конденсаторов и др.), подвергающейся воздействию агрессивной среды, осуществляют путем подсоединения к отрицательному полюсу внешнего источника тока и погружения анода в эту среду (рис. 2).

- Методы и средства защиты природной среды от электромагнитных излучений
- Методы и средства защиты учетно-аналитической информации в условиях автоматизации бухгалтерского учета
- Методы и средства идейного воспитания
- Методы и средства измерений
- Методы и средства измерений, испытаний и контроля
- Методы и средства измерения больших масс от 500кг
- Методы и средства измерения влажности
- Методы и средства защиты информации от удаленных атак
- Методы и средства защиты информации от утечки по техническим каналам
- Методы и средства защиты компьютерной информации
- Методы и средства защиты морских берегов
- Методы и средства защиты объектов электроэнергетики от молний
- Методы и средства защиты окружающей среды. Экобиозащитная техника. Средства по очистке сточных вод
- Методы и средства защиты от вибрации