ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

Процессы коррозии

В системе стандартизации (ГОСТ 5272—68) коррозия металлов определена как разрушение металлов вследствие химического и электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой. В системе международ­ной стандартизации (ИСО) это понятие несколько шире: физико-химическое взаимодействие между металлом и сре­дой, в результате которого изменяются свойства металла и часто происходит ухудшение функциональных харак­теристик металла, среды или включающей их технической системы.

Объекты воздействия коррозии — металлы, сплавы, металлопокрытия, металлоконструкции машин, оборудо­вание и сооружения.

Процесс коррозии представляют как коррозионную систему, состоящую из металла и коррозионной среды. Последняя содержит одно или несколько веществ, всту­пающих в реакцию с металлом. Коррозионная среда мо­жет быть жидкой и газообразной. Газообразная среда, окисляющая металл, называется окислительной газовой средой.

Изменение в любой части коррозионной системы, вызванное коррозией, называется коррозионным эффектом.

Коррозионный эффект, ухудшающий функциональные характеристики металла, покрытия, среды или включающих их технических систем, расценивают как эффект по­вреждения или как коррозионную порчу (по системе ИСО).

В результате коррозии образуются новые вещества, включающие окислы и соли корродирующего металла, это — продукты коррозии. Видимые продукты атмосфер­ной коррозии, состоящие в основном из гидратированных оксидов железа, называют ржавчиной, продукты газовой коррозии — окалиной.

 

Экономический и экологический ущерб, наносимый нашей планете коррозией металлических изделий, оборудования и конструк­ций, неисчислим. В последние годы, например, только в Соединен­ных Штатах Америки ежегодные потери от коррозии составили 300 миллиардов долларов, что соответствует 6 % национального дохода всей страны.

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.

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.

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 %. В настоящее время проблема коррозии усугубляется резким ста­рением основного металлофонда, физическим и моральным изно­сом, совершенно недостаточной степенью возобновляемости и реновации (реконструкции, ремонта) (таблица 1.2).

Таблица 1.2

 

Большая часть из 800 млн тонн потенциально опасных сварных конструкций выработала свой ресурс на 50—70%. Значительная часть сооружений исчерпала свой плановый ресурс и вступает в период интенсификации отказов.

Нефтегазовые сооружения (трубопроводные, магистральные и промысловые системы, несущие конструкции нефтеперерабатыва­ющих заводов и т.д.) эксплуатируются в условиях воздействия до­бываемых, транспортируемых, перерабатываемых углеводородных продуктов и агрессивных коррозионных сред.

Анализ причин отказов и аварий нефтегазовых сооружений сви­детельствует о превалирующем влиянии коррозионного фактора. В нефтедобывающей промышленности и транспорте нефти 70 % отка­зов произошло по причине коррозионных повреждений.

Для нахождения путей практического решения тех или иных за­дач, возникающих в результате коррозионного разрушения различ­ных металлических объектов, необходимо, в первую очередь, знание законов такого разрушения, т.е. теории коррозии металлов.

 

Способность металла сопротивляться коррозион­ному воздействию среды называют коррозионной стойкостью.

Коррозия металла или сплава происходит, как правило, на границе раздела фаз, т. е. на границе соприкосновения твердого вещества с газом или жид­костью.

Причиной коррозии является термодинамическая неустойчивость металла в окружающей среде. Подав­ляющее большинство металлических элементов в зем­ной коре находится в окисленном состоянии — в виде оксидов, сульфидов и других соединений. Металлур­гическая промышленность осуществляет восстановле­ние металлов из их природных соединений. Металл в виде изделия при его эксплуатации в природных ус­ловиях, в химической промышленности и в других отраслях взаимодействует с компонентами окружаю­щей среды, например с кислородом воздуха, по реакции

 

Для определения направления реакции нужно знать изменение ∆G энергии Гиббса (изобарно-изотермического потенциала) в системе:

где G₁ и G₂ — энергия Гиббса исходных веществ и продуктов ре­акции соответственно.

Самопроизвольно протекают те процессы, которые сопровождаются уменьшением энергии Гиббса, т. е. для которых G₁ > G₂, или ∆G < 0. Для рассмотрен­ной выше реакции окисления у всех металлов (кроме золота) при стандартных условиях ∆G° < 0. Следо­вательно, металлы самопроизвольно переходят в оки­сленное состояние при взаимодействии с окислитель­ным компонентом окружающей среды. Чтобы про­длить срок службы металлических изделий, необхо­димо осуществлять специальные мероприятия по за­щите, металлов от коррозии.

Коррозионные процессы классифицируют по ме­ханизму взаимодействия металла со средой; по виду коррозионной среды; по виду коррозионных разруше­ний; по объему разрушенного металла; по характеру дополнительных воздействий, которым подвергается металл одновременно с действием коррозионной среды.

По механизму взаимодействия металла со средой различают химическую и электрохимическую корро­зию. Коррозию, протекающую под влиянием жизне­деятельности микроорганизмов, относят к биологиче­ской коррозии, а протекающую под действием радио­активного излучения — к радиационной.

По виду коррозионной среды, участвующей в кор­розионном разрушении металла или сплава, различа­ют коррозию в жидкостях — неэлектролитах, корро­зию в растворах и расплавах электролитов, газовую, атмосферную, подземную (почвенную) коррозию, коррозию блуждающим током и др.

По характеру изменения поверхности металла или. сплава либо по степени изменения их физико-механи­ческих свойств в процессе коррозии независимо от свойств среды различают несколько видов коррозион­ных разрушений (рис. 1).

Рис. 1. Виды коррозии:

а. — сплошная равномерная; б — сплошная неравномерная; в — структур­но-избирательная; г — пятнами; д — язвами; е — точками (питтинговая); ж — подповерхностная; з — межкристаллитная

Если коррозия охватывает всю поверхность метал­ла, то она называется сплошной (рис. 1,а, б). Такой вид коррозии металлов наблюдается под действием кислот, щелочей, атмосферы. Сплошная коррозия мо­жет быть равномерной (рис. 1,а), т. е. разрушение металла происходит с одинаковой скоростью по всей поверхности, и неравномерной (рис. 1,б), когда ско­рость коррозии на отдельных участках поверхности неодинакова. Примером равномерной коррозии мо­жет служить коррозия при взаимодействии меди с азотной, железа — с соляной, цинка — с серной кис­лотами, алюминия—с растворами щелочей. Анало­гично коррелируют железные трубы на открытом воздухе.

Сплавы некоторых металлов подвержены избира­тельной коррозии, когда один из компонентов (или одна из структур) сплава разрушается, а остальные практически остаются без изменений. При соприкос­новении латуни с серной кислотой происходит компо­нентно-избирательная коррозия — коррозия цинка, а сплав обогащается медью. Такое разрушение легко заметить, так как происходит покраснение поверхно­сти изделия вследствие увеличения концентрации меди в прокорродировавшей области. При структур­ноизбирательной коррозии (рис. 1,в) происходит преимущественное разрушение какой-либо одной структуры сплава, например, при соприкосновении стали с кислотами разрушается ферритовая структу­ра, а карбид железа остается без изменений. Этому виду коррозии особенно подвержен чугун.

При местной (локальной) коррозии на поверхно­сти металла обнаруживаются поражения в виде от­дельных пятен — поражений, не сильно углубленных в толщу металла (рис. 1,г); язв — поражений, сильно углубленных в толщу металла (рис. 1,д); точек (питтингов), иногда еле заметных глазу, но глубоко проникающих в металл (рис. 1,е). Коррозия в виде язв и точек очень опасна для таких конструкций, где важно поддерживать условия герметичности и непро­ницаемости (емкости, аппараты, трубопроводы, при­меняемые в химической промышленности).

Подповерхностная коррозия начинается с поверх­ности металла при разрушении на отдельных участ­ках его защитного покрытия (пленки оксида и др.). В этом случае разрушение идет преимущественно под покрытием, и продукты коррозии сосредоточиваются внутри металла. Подповерхностная коррозия часто вызывает вспучивание и расслоение металла (рис. 1,ж). Определить ее возможно только под мик­роскопом.

Межкристаллитная коррозия — разрушение ме­талла по границам кристаллитов (зерен) с потерей его механической прочности; внешний вид металла при этом не меняется, но он легко разрушается на от­дельные кристаллики под механическим воздействием (рис. 1,з). Объясняется это образованием между зер­нами металла или сплава рыхлых малопрочных про­дуктов коррозии. Этому виду коррозии подвержены хромистые и хромоникелевые стали, никелевые и алюминиевые сплавы.

Щелевая коррозия — разрушение металла под прокладками, в зазорах, резьбовых креплениях, в клепаных соединениях и т. п. Она чаще развивается на участке конструкции, находящейся в зазоре (ще­ли) (рис. 2).

 

Рис. 2. Щелевая коррозия:

1 — металл; 2 — диэлектрик; 3 — кислота

 

По характеру дополнительных воздействий, кото­рым подвергается металл одновременно с воздей­ствием агрессивной среды, можно выделить коррозию под напряжением, коррозию при трении и кавитационную.

Коррозия под напряжением — это коррозия при одновременном воздействии коррозионной среды и постоянных или временных напряжений. Если это растягивающие напряжения, возможно коррозионное рас­трескивание, когда разрушение происходит не только по границам кристаллитов, а разделяется на части и сам кристаллит металла. Это очень опасный вид коррозии, особенно для конструкций, несущих механические нагрузки (мосты, оси, тросы, рессоры, автоклавы, паровые котлы, двигатели внутреннего сгорания, водяные и паровые турбины и др.). Одно­временное воздействие циклических растягивающих напряжений и коррозионной среды вызывает корро­зионную усталость — происходит понижение предела усталости металла. Этому виду коррозии подвержены валы гребных винтов, рессоры автомобилей, канаты, охлаждаемые валки прокатных станов и др.

Коррозия при трении — разрушение металла при совместном действии коррозионной среды и трения. При перемещении двух поверхностей относительно друг друга в условиях воздействия коррозионной сре­ды происходит коррозия истиранием, или фреттинг-коррозия. Устранить коррозию при трении возможно правильным выбором коррозионно-стойкого и стойкого к истиранию конструкционного материала, сниже­нием коэффициента трения, применением покрытий и т. д.

Кавитационная коррозия — разрушение поверхно­сти металла или сплава, вызываемое одновременным коррозионным и механическим воздействием агрес­сивной среды, например, коррозия лопастей гребных винтов.

 

 

 

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

Электрохимическая коррозия — разрушение металли­ческих материалов в результате электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой (электролитом). Электрохимическая коррозия может проте­кать в атмосфере, если на поверхности металла кон­денсируется влага (атмосферная коррозия) , а также в растворах или расплавах электролитов.

При электрохимической коррозии на металле од­новременно протекают две реакции: анодная (иони­зация атомов металла с переходом их в раствор электролита — растворение металла)

и катодная (восстановление окислителя Ох).

 

 

где Red— восстановленная форма реагирующего вещества.

Реакции (1.1) и (1.2) являются сопряженными, связанными между собой балансом электрических зарядов электрохимических процессов: электроны, высвобождающиеся в процессе ионизации атомов ме­талла под действием электролита, переходят к окис­лителю, который при этом восстанавливается. Следу­ет обратить внимание, что при электрохимической коррозии катион металла вступает в связь не с окис­лителем, а с другим компонентом коррозионной сре­ды, способным сольватировать катионы, например:

или образовывать комплексные соединения

без участия валентных электронов металла.

К коррозии металла (растворению металла) при­водит протекание собственно анодной реакции. Если поверхность металла и коррозионная среда однород­ны, реакции (1.1) и (1.2) протекают с одинаковой скоростью в любой точке поверхности металла, и ме­талл растворяется равномерно (общая коррозия). Поверхность реальных металлов и сплавов обычно неоднородна, различной по составу может быть и коррозионная среда. Это приводит к тому, что анод­ная реакция ионизации атомов металла сосредоточи­вается на отдельных небольших участках поверхно­сти металла, а на остальной поверхности протекает катодная реакция, т. е. имеет место локальная кор­розия.

---

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 418; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!