Коррозия металла — это разрушение поверхностного слоя металлического изделия под воздействием химических, электрохимических или биологических факторов внешней среды. В отличие от механического износа, коррозия металла протекает самопроизвольно и необратимо: влага, кислород, кислоты и соли постепенно разрушают структуру стали, чугуна, цинка и других материалов. Ежегодно коррозия металла уничтожает около 10% всего производимого в мире металла.
Что такое коррозия металла?
Основной причиной возникновения коррозии на металлической поверхности является термодинамическая неустойчивость металла к негативным действиям извне. Механизм коррозии носит гетерогенный характер.
Коррозионные разрушения происходят в зоне непосредственного контакта, на границе раздела сред. Метод оценки пораженных коррозией участков производится по ГОСТу 9.311-87.
Продуктами коррозии металла являются химические соединения – оксиды, соли.
Негативными факторами, которые разрушают поверхностную целостность, являются
• химические вещества,
• электродный потенциал,
• электрический ток,
• механическое напряжение,
• биологические составляющие.
Коррозия металла может носить локальный (местный) или сплошной характер разрушения.Процесс разрушения поверхности протекает самопроизвольно. Все термины, характеризующие коррозионный процесс, определяются стандартом ГОСТ 5272-68.
Основным фактором коррозионного разрушения является окислительная реакция – химическое взаимодействие кислорода и металлической поверхности. Многие металлы в результате реакции окисления образуют на своей поверхности окисные соединения (пленки), которые препятствуют проникновению кислорода вглубь (цинк, олово, алюминий). Железо не обладает такой способностью. Кислород, вступая в реакцию с железом, способен беспрепятственно проникать вглубь, образуя неустойчивые соединения и окончательно разрушая изделие.
Коррозия металла. Причины возникновения
Коррозионный механизм представляет собой систему, состоящую из поверхностного слоя изделия и агрессивной среды воздействия. В основе разрушения лежат химические или электрохимические процессы.
В результате химической коррозии одновременно протекают окислительные и восстановительные реакции. Окислительные процессы связаны с разрушением металлической поверхности, восстановительные реакции определяют результат воздействия агрессивной среды.
Электрохимическое разрушение определяется не только окислительно-восстановительными реакциями, но и напрямую зависит от электродного потенциала взаимодействующих веществ. Процесс протекает в несколько этапов.
Нарушение поверхностной целостности происходит под действием:
• атмосферных осадков,
• газа,
• воды,
• грунта.
Источники электроэнергии могут оказывать негативное воздействие и быть связаны с процессом коррозионного разрушения. Чаше всего они провоцируют возникновение блуждающих токов в земле (грунте). Химические реакции усиливаются действием электрического тока, вызывая массовые повреждения.
Коррозионное разрушение под напряжением происходит в результате одновременного, совместного влияния окружающей среды и механических воздействий (трения, истирания, колебания, контактного соприкосновения и др.).
Коррозия металла может быть спровоцирована биологическим воздействием. Бактерии, грибки, попадая на металлическую поверхность, размножаются. Чем благоприятнее среда обитания биологической составляющей, тем обширнее площадь коррозии.
Процессы коррозионного разрушения происходят везде, где возможны протекания химических реакций, — в атмосфере, жидкостях, почве.
Последствия коррозионного разрушения
1/6 часть произведенного за год мирового металлопроката используется с целью замены разрушенных коррозией металлоконструкций. Мировая экономика несет убытки, которые в среднем составляют около 10% валового дохода.
В России ежегодные потери металла из-за коррозии составляют до 12% общей массы металлофонда, что соответствует утрате до 30% ежегодно производимого металла.
Коррозионные разрушения приводят не только к прямым разрушениям, они вызывают вторичные последствия. К косвенным потерям относятся расходы, связанные с потерей проектных возможностей (мощностей) оборудования, вынужденными простоями из-за аварий, расходы, выделяемые на ликвидацию аварийных случаев.
В США по последним данным NACE, 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.
Статистика отказов оборудования нефте-газовых систем
| Система | Вид отказа | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Корро-
зия | Брак СМР | Брак
матери- алов | Мех.
повреж- дения | Нару-
шение эксплу- атации | |
| Нефтеперерабатывающая
промышленность и транспорт нефти | 70% | 15% | 2% | 10% | 3% |
| Газопроводы | 36,7% | 10% | 13,3% | 13,9% | 26,1% |
| Внутрипромысловые
трубопроводы | 95% | — | — | — | — |
Проблема коррозии актуальна. Устранение проблемы коррозионного разрушения комплексно решает вопросы, связанные с
• повышением эксплуатационных, технологических характеристик металлоизделий,
• уменьшением материальных затрат на восстановление испорченного металлопроката,
• экономией природных ресурсов,
• охраной окружающей среды.
Можно ли восстановить металл, разрушенный коррозией?
1. Исследователи из Швейцарии запатентовали технологию, а на базе ее разработали оборудование по восстановлению разрушенной коррозией металлической поверхности при помощи водородного воздействия.
Сущность метода. Поверхность металла с очагами коррозии непрерывно подвергают интенсивному воздействию молекулами водорода. В результате «атаки» водород выбивает из поверхностной зоны кислород, входящий в состав соединений, находящихся в пораженной зоне. Водород вступает в реакцию с кислородом, связывая его. Тем самым окислительные реакции в очаге коррозии постепенно затухают. По мере прекращения реакции разложения (окисления) исчезает источник поражения. Восстанавливается изначальный вид поверхностного слоя. Возвращаются первоначальные технологические характеристики. Однако данная методика предназначена для восстановления поверхностного слоя металла при небольшом проценте поражения от общей площади поверхности.
2. Лазерная обработка поверхности металла, поврежденного коррозией, позволяет уничтожить ржавчину, восстанавливая изначальный вид.
Обработка ржавой поверхности производится специальным оборудованием, которое способно создать мощный световой поток энергии.
Принцип методики очищения заключается в том, что при воздействии на пораженные участки лазерные лучи отражаются от участков с чистым металлом и поглощаются зонами с неоднородным составом.
Продуктами коррозии являются соединения, содержащие кислород (оксиды, гидроксиды и др.). В результате лазерного облучения примесный материал, поглощая энергию, сильно разогревается и отслаивается от поверхности. Чем выше мощность лазерного потока, тем интенсивнее процесс. В результате ржавчина разрушается, плавится и испаряется, оставляя чистой поверхность металла.
Коррозия металла. Способы борьбы
Коррозия приводит к безвозвратному повреждению металлических изделий, сокращая срок эксплуатации. Чтобы защитить поверхности деталей и конструкций от разрушительного воздействия коррозии, разработаны различные технологии и методики.
1. Защитные покрытия
Изоляция металлической поверхности производится путем нанесения определенного вида покрытия: лака, краски, эмали, преобразователя ржавчины с цинком, масла или металла. Лакокрасочные покрытия, эмали, масла обладают низкими механическими свойствами, поэтому предпочтение отдается металлическим.
Наносимый металл обладает определенной электроотрицательностью. Защита основного металла может производиться двумя способами:
• анодным,
• катодным.
При анодном способе защиты наносимый металл более электроотрицателен, чем покрываемый, поэтому в гальванической паре он будет выступать в роли анода. В случае электрохимической коррозии, разрушение начнется в первую очередь с защитного слоя (покрытие цинком, хромом, кадмием и др.).
Катодный способ защиты подразумевает наличие в качестве покрытия металла, обладающего более положительным электродным потенциалом, чем основной. Если поверхностная целостность защитного покрытия не нарушена, то коррозионный электрохимический процесс не протекает. При повреждении защитного покрытия происходит разрушение как матричной основы, которая является в данном случае анодом, так и наносимого материала (покрытие оловом и др.).
2. Нейтрализация агрессивного влияния окружающей среды
Если из среды воздействия удалить негативные элементы (деполяризаторы), которые вызывают процесс коррозии, или изолировать металлическую поверхность от них, то исчезнет и проблема самопроизвольного разрушения. Так, для удаления кислорода из воды используют специальные добавки или производится кипячение жидкости.
Полностью устранить негативное воздействие окружающей среды (жидкой, газообразной) на металлическую поверхность не возможно из-за разнообразия химического состава, но частично решить проблему можно. Для этого в состав среды вводят специальные вещества (ингибиторы), которые замедляют коррозионные процессы. Ингибиторы нейтрализуют основные деполяризаторы или замедляют скорость реакции.
3. Электрохимический способ защиты
Металлическая поверхность, при данном способе защиты, должна обладать высоким электроотрицательным потенциалом.
При протекторном способе металлическую поверхность, которая подлежит защите, соединяют с металлическими отходами (ломом). При этом металлический лом должен обладать большей электроотрицательностью.
Катодная защита определяется наличием внешнего источника тока. В электролитический раствор (грунтовую воду) помещают металлический лом, который подключают к положительному заряду внешнего источника электроэнергии. Лом становится анодом и в электрической паре, металлический лом – защищаемая поверхность, первый подвергается разрушению.
Как защитить корпус корабля от агрессивного воздействия окружающей среды?
Корпус корабля постоянно находится в контакте с агрессивной средой (соленая вода, температурный режим, механическое воздействие и т.д.). Разложение стальной обшивки происходит быстро, а затраты на восстановления велики, поэтому для снижения скорости коррозии металлической поверхности используют «протекторный» способ защиты.
Принцип метода основан на работе гальванической пары. Высокий электроотрицательный потенциал металла защиты в комплексе с менее отрицательным потенциалом металла основы создает барьер для коррозионного разрушения корабля.
В качестве лома при протекторном способе защиты используют цинковые болванки. Цинковый лом , постепенно разрушаясь под воздействием окружающей среды, сохраняет целостность матричной основы, увеличивая срок эксплуатации корабля. По мере растворения цинкового лома производится его замена.
4. Использование легированных сплавов
Легирование стали – это введение в металлическую основу специальных элементов, которые приводят к изменению физических и химических характеристик изначального материала. Специальные добавки вводятся в расплав, поэтому конечные изменения происходят на кристаллическом уровне. Добавление хрома, никеля и др. к матричной основе позволяет в разы увеличить коррозионную стойкость стали.
Для низколегированных сталей (с низким содержанием хрома, никеля, меди) слой коррозии является защитным. Это объясняется тем, что под ржавчиной формируется труднорастворимая пленка (защитная). Такой слой имеет плотную структуру и черный цвет. Формирование пленки происходит в течение длительного срока (около четырех лет).
5. Шлифование
Во избежание накопления влаги на металлической поверхности и создания очагов коррозионного разрушения, поверхностный слой защищаемого изделия подвергают дополнительной механической обработке, производится операция шлифования.
Коррозия наносит существенный экономический урон. В связи с этим, процесс разрушения досконально изучается, непрерывно совершенствуются методы борьбы с коррозией, совершенствуются способы защиты.
Коррозия металла. Интересное в фактах
Существует ли связь между батарейками питания, цинком и коррозией?
Принцип работы батарейки основан на технологии электрокоррозии (гальванической пары).
Положительно заряженные электроны движутся от анода к катоду в специальном растворе (электролите). В качестве источника электронов (анода) чаще всего используется цинковая пластина. Составом для электролита могут служить
- соль,
- щелочь,
- хлорид аммония.
Две пластины с различным потенциалом помещают в рабочий раствор электролита. Ток будет двигаться от положительно к отрицательно заряженному полюсу. Чтобы не могло произойти короткого замыкания, к батарейке необходимо подключить нагрузку, иначе может
- произойти быстрая разрядка батарейки,
- возникнуть возгорание.
Народные средства удаления ржавчины и упрочнения поверхностного слоя
1.Во время Великой Отечественной Войны при коррозионном повреждении оружия солдатами производилась очистка ржавчины следующим составом:
- соляная кислота,
- ингибиторы растительного происхождения.
Соляная кислота разрушает продукты коррозии, растительные ингибиторы адсорбируют на себе эти соединения. Происходит окислительно-восстановительная реакция. В результате ржавчина исчезает, а на поверхности образуется защитная пленка, препятствующая развитию коррозионных процессов.
2.Ржавые железные предметы при извлечении из земли способны накапливать в поверхностном слое органические вещества, которые находились в почве (углерод, азот и др.). Термообработка таких изделий (закалка на воду) приводит к упрочнению поверхностного слоя. Механические свойства улучшаются, твердость увеличивается.
В быту коррозию называют «ржавчиной» — подробнее о механизме образования.
Читайте также: