Коррозия металлов и способы защиты от нее
| Коррозия – это процесс разрушения металлов и металлических конструкций под воздействием различных факторов окружающей среды – кислорода, влаги, вредных примесей в воздухе. |
Коррозионная стойкость металла зависит от его природы, характера среды и температуры.
- Благородные металлы не подвергаются коррозии из-за химической инертности.
- Металлы Al, Ti, Zn, Cr, Ni имеют плотные газонепроницаемые оксидные плёнки, которые препятствуют коррозии.
- Металлы с рыхлой оксидной плёнкой – Fe, Cu и другие – коррозионно неустойчивы. Особенно сильно ржавеет железо.
Различают химическую и электрохимическую коррозию.
| Химическая коррозия сопровождается химическими реакциями. Как правило, химическая коррозия металлов происходит при действии на металл сухих газов, её также называют газовой. |
При химической коррозии также возможны процессы:
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3
Как правило, такие процессы протекают в аппаратах химических производств.
| Электрохимическая коррозия – это процесс разрушения металла, который сопровождается электрохимическими процессами. Как правило, электрохимическая коррозия протекает в присутствии воды и кислорода, либо в растворах электролитов. |
В таких растворах на поверхности металла возникают процессы переноса электронов от металла к окислителю, которым является либо кислород, либо кислота, содержащаяся в растворе.
При этом электродами являются сам металл (например, железо) и содержащиеся в нем примеси (обычно менее активные металлы, например, олово).
В таком загрязнённом металле идёт перенос электронов от железа к олову, при этом железо (анод) растворяется, т.е. подвергается коррозии:
Fe –2e = Fe 2+
На поверхности олова (катод) идёт процесс восстановления водорода из воды или растворённого кислорода:
2H + + 2e → H2
O2 + 2H2O + 4e → 4OH –
| Например, при контакте железа с оловом в растворе соляной кислоты происходят процессы: |
Анод: Fe –2e → Fe 2+
Катод: 2H + + 2e → H2
Суммарная реакция: Fe + 2H + → H2 + Fe 2+
Если реакция проходит в атмосферных условиях в воде, в ней участвует кислород и происходят процессы:
Анод: Fe –2e → Fe 2+
Катод: O2 + 2H2O + 4e → 4OH –
Суммарная реакция:
Fe 2+ + 2OH – → Fe(OH)2
4Fe(OH)2 + O2+ 2H2O → 4Fe(OH)3
При этом образуется ржавчина.
Методы защиты от коррозии
Защитные покрытия
Защитные покрытия предотвращают контакт поверхности металла с окислителями.
- Катодное покрытие – покрытие менее активным металлом (защищает металл только неповреждённое покрытие).
- Покрытие краской, лаками, смазками.
- Создание на поверхности некоторых металлов прочной оксидной плёнки химическим путём (анодирование алюминия, кипячение железа в фосфорной кислоте).
Создание сплавов, стойких к коррозии
Физические свойства сплавов могут существенно отличаться от свойств чистых металлов. Добавление некоторых металлов может приводить к повышению коррозионной стойкости сплава. Например, нержавеющая сталь, новые сплавы с большой коррозионной устойчивостью.
Изменение состава среды
Коррозия замедляется при добавлении в среду, окружающую металлическую конструкцию, ингибиторов коррозии. Ингибиторы коррозии — это вещества, подавляющие процессы коррозии.
Электрохимические методы защиты
Протекторная защита: при присоединении к металлической конструкции пластинок из более активного металла – протектора. В результате идёт разрушение протектора, а металлическая конструкция при этом не разрушается.
Источник
Способы повышения коррозийной стойкости металлических конструкций.
Для борьбы с коррозией принимают самые разнообразные методы, учитывающие особенности не только самого металла, но и условия эксплуатации металлического изделия. В большинстве случаев можно подобрать тот или иной конструкционный материал для его эксплуатации в коррозионных средах. Когда этот выбор сделать нельзя, приходится защищать металл от коррозии. Выбор того или иного способа защиты определяется его эффективностью и экономической целесообразностью.
Все используемые в практике меры по защите металлов от коррозии можно разделить на несколько групп:
1.Повышение коррозионной стойкости металлов и сплавов легированием. ( при газовой коррозии и электрохимической коррозии) Это эффективный метод повышения коррозионной стойкости металлов. При легировании в состав сплава или металла вводят легирующие элементы (хром, никель, молибден и др.), вызывающие пассивность металла. Пассивацией называют процесс перехода металла или сплава в состояние его повышенной коррозионной устойчивости, вызванное торможением анодного процесса. Пассивное состояние металла объясняется образованием на его поверхности совершенной по структуре оксидной пленки (оксидная пленка обладает защитными свойствами при условии максимального сходства кристаллических решеток металла и образующегося оксида).
2.Нанесение защитных покрытий.
Это наиболее распространенный способ защиты, заключающийся в нанесении на поверхность металла неметаллических (нанесения на поверхность металла красок, лаков, эмалей, пластмасс, резины) и металлических покрытий(нанесением на поверхность металла тонкого слоя цинка, хрома, никеля, кадмия, олова, свинца и других металлов.) или в образовании на поверхностном слое металла защитной пленки.
3.Разработка конструктивных форм обладающих высокой коррозионной устойчивостью. При конструировании проектируют конструкции из замкнутых гнутосварных профилей, имеющих обтекаемую форму. В сильноагрессивной среде используют трубчатые конструкции.
4. Изменение свойств коррозионной среды.
Для снижения агрессивности среды уменьшают концентрацию компонентов, опасных в коррозионном отношении. Для защиты от коррозии широко применяют ингибиторы. Ингибитором называется вещество, при добавлении которого в небольших количествах в среду, где находится металл, значительно уменьшается скорость коррозии металла.
3. Основные требования, предъявляемые к металлическим конструкциям.
1.1. Условия эксплуатации. Включают в себя обслуживание технологического процесса т.е. в здании должны быть обеспечены конструкции безопасностью, удобством крепления с наименьшими затратами, для поддержания конструкции в надежном состоянии. Нормальная эксплуатация – это эксплуатация, осуществляемая без ограничений в соответствии с предьявляемыми к конструкции эксплутационно-технические требования, предусмотренные в нормах проектирования или заданиях на проектирование.
1.2. Технические требования. Сводятся к обеспечению устойчивости, жесткости, надежности(безотказная работа конструкции в течении всего периода эксплуатации), долговечности(свойство элемента или системы длительно сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при определенных условиях эксплуатации).
1.3. Экономические требования. Определяются затратами на металл, стоимостью изготовления, транспортирования и монтажа. Экономия металла достигается за счет совершенствования различных видов конструкций(создания новых совершенных форм-оболочки положительный, отрицательные Гауссовой кривизны: своды, купола, торы, структурные конструкции, висячие, комбинированные, предварительно напряженные)
1.4. Эстетические требования. Свойства филигранности(прозрачное, открытое)-прозрачные стальные элементы при устройстве стекла
Выбор класса стали для металлических конструкций.
1.1 Зависит от температуры среды т.е. понижение температуры приводит к хрупкому разрушению
1.2 Зависит от характера нагружения (статического, динамического, вибрационного, переменного)
1.3 От вида напряженного состояния (одноосное: растяжение, сжатие, кручение, сдвиг, срез, изгиб; плоское-двуосное: сжатие с изгибом, изгиб с растяжением, поперечный изгиб, продольный изгиб; объемное-трехосное: сочетание поперечного изгиба с продольным)
1.4 От способа соединения элементов (сварка, болты, заклепки)
1.5 От толщины проката, учитывающие изменение свойств стали т.е. с увеличением толщины проката уменьшается расчетное сопротивление следовательно уменьшается прочность стали
Основы методики расчета конструкций по предельным состояниям.
Цель расчета строительных конструкций – обеспечить заданные условия эксплуатации и необходимой прочности конструкции при минимальном расходе материалов и минимальных затратах труда на изготовление и монтаж.
Предельным называется такое состояние конструкции при котором конструкция перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационно-техническим требованиям т.е. либо теряет несущую способность (1группа предельных состояний) либо получает недопустимые деформации или местное повреждение(2группа предельных состояний)
Под нормальной эксплуатацией принимается эксплуатация осуществляемая без ограничений в соответствии с предусмотренными в нормах или заданиях на проектирование технических условиях.
Виды предельных состояний 1 группы-по потере несущей способности, предусматривает расчет на прочность, устойчивость и выносливость:
1. Разрушения любого характера(вязкое, хрупкое, усталостное)
2. Потеря устойчивости положения (опрокидывание)
3. Потеря устойчивости формы (сдвиг)
4. Переход конструкции или здания в геометрически изменяемую систему
5. Качественное изменение конструкции в результате чрезмерного развития пластических деформаций
Виды предельных состояний 2 группы-предусматривает предельные состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию здания или снижающую долговечность зданий и сооружений(можно ликвидировать путем текущего ремонта или реконструкции):
4. Повороты сечений
6. Трещины (в мет.конструкциях трещины возможны только при сварке 0.1мм)
Нагрузки и воздействия. Классификация нагрузок по природе происхождения, характеру воздействия, продолжительности действия, интенсивности действия. Сочетание нагрузок.
1. По природе происхождения:
· От собственного веса
· Технологические нагрузки(полезные), вес оборудования, склад материалов, давление жидкости/газов, сыпучих материалов
· Атмосферные (снег, ветер, гололед)
· Температурные воздействия(технологические, климатические)
· Сейсмические и взрывные воздействия
· Аварийные нагрузки, возникающие при резком нарушении технологического процесса
2. По характеру воздействия:
3. По продолжительности действия:
· Постоянные(нагрузки от собственного веса конструкции, вес частей зданий и сооружений, вес грунта, воздействие предварительного напряжения)
o Длительные(нагрузки которые действуют продолжительное время, но могут и отсутствовать)
o Кратковременные(нагрузки от подвижного, подъемно-транспортного оборудования, снеговые ветровые, гололедные нагрузки)
o Особые(сейсмические и взрывные воздействия, аварийные нагрузки, вызванные резким нарушением тех.процесса)
4. По интенсивности действия:
· Нормативные(нагрузки отвечающие условиям нормальной эксплуатации)
· Расчетные(максимальные нагрузки за все время эксплуатации зданий и сооружений)
5. Сочетание нагрузок:
· Основные( включают постоянные, длительные и кратковременные нагрузки)
· Аварийные( включают постоянные, длительные временные, кратковременные и одну из особых нагрузок)
Последнее изменение этой страницы: 2017-04-12; Просмотров: 4588; Нарушение авторского права страницы
Источник
Методы повышения коррозионной стойкости.
Из всех конструкций. материалов наибольшей стойкостью к коррозии характеризуются пластмассы, керамика, стекло, резина, асбест и бетон. Однако по многим другим эксплуатационным свойствам эти материалы не могут конкурировать с металлами. Обладающие высокой стойкостью благородные металлы слишком дороги для использования в качестве основные конструкции материалов современной техники. Наиболее доступный металл — железо, обладает требуемым комплексом физ. свойств, но низкой стойкостью к коррозии. Для повышения последней без ухудшения механических характеристик Fe легируют другими металлами, например, хромом. При легировании значительного кол-вом хрома, а иногда и никелем получают нержавеющие стали. Наибольшей стойкостью к равномерной коррозии обладают аустенитные стали, если имеются условия для поддержания их в пассивном состоянии. Аустенитные стали устойчивы к воздействию воздуха, р-ров азотной и мн. орг. кислот, серной кислоты в некотором интервале концентраций, сернистой кислоты и щелочей. Однако в других средах они подвержены питтинговой, щелевой и межкристаллитной коррозии, а также коррозионному растрескиванию. Важными коррозионностойкими материалами являются также Ni, Al, Cu, Ti и сплавы на их основе. Никель устойчив к воздействию горячих и холодных щелочей, разбавленных неокисляющих органических и неорганических кислот, а также воздушной атмосферы. Легирование медью повышает его стойкость к коррозии в восстановит. средах, а также к питтинговой коррозии в морской воде. Легирование хромом повышает сопротивление воздействию окислительных сред, а молибденом — восстановительных; одновременное легирование хромом и молибденом — воздействию тех и других сред. Алюминий обладает хорошей стойкостью к коррозии, в растворах уксусной и азотной кислот, парах S, SО2 и других. Легируют Аl небольшими количествами других металлов, главным образом для улучшения его механических характеристик. Медь устойчива к воздействию воздуха, морской и пресной (горячей и холодной) воды, деаэрирных растворов неокисляющих кислот. Сплавы Сu с Аl (алюминиевая бронза) и Ni (купроникель) используют для изготовления конденсаторных труб, а алюминиевую бронзу — также для корпусов насосов и корабельных гребных винтов. Титан и его сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в морской воде, воздухе, загрязненном промышлеными выбросами, в ряде агрессивных химических сред (см. также Коррозионностойкие материалы). В практике защиту от коррозии широко применяют поверхностное легирование недорогих сплавов, имеющих хорошие механические характеристики. Поверхностный слой обычной стали можно превратить в сплав с высокой коррозионной стойкостью путем нагрева в порошкообразной шихте, содержащей Zn (диффузионное цинкование), Аl (алитирование) или Сr (хромирование), иногда со спец. активирующими добавками. Можно также плакировать дешевый малостойкий материал тонким слоем более коррозионностойкого, например, путем совместной горячей прокатки двух листов до нужной толщины образующегося «биметалла». Поверхность изделий модифицируют путем нанесения тонких покрытий из других металлов или сплавов, преимлимых для защиты от атмосферной коррозии. Состав и способ нанесения покрытий может быть различными. На стальной прокат покрытия из Zn, Al и их сплавов чаще всего наносят методом напыления: металл покрытия в виде проволоки или порошка плавится в электрической дуге или пламени, распыляется газовой струей и осаждается на подготовленную поверхность. Хорошей адгезией и равномерной толщиной отличаются покрытия, образуемые окунанием защищаемых изделий в ванну расплавленного Zn или Аl. Электрохимические методы нанесения широко используют в тех случаях, когда необходимо покрытие очень малой и контролируемой толщины, а изделие не должно сильно нагреваться. Так наносят Cr, Ni, Sn, Zn, Cd и другие. Хромовые покрытия декоративны и благодаря высокой способности хрома пассивироваться могут обладать высокой защитной способностью, но, как правило, содержат трещины и потому чаще их наносят поверх никелевых покрытий.
Методы снижения коррозионной активности среды. Наиболее распространенные агрессивные среды — вода, водные растворы кислот и щелочей, атмосфера, почва. Агрессивность водных сред зависит от растворенных в них О2 и СО2, удаление которых является одним из методов борьбы с коррозией железа, стали, меди, латуни, цинка, свинца. Физ. удаление О2 и СО2 достигается нагревом воды при пониженном давлении или продувкой инертным газом, химическое — пропусканием через слой железных или стальных стружек, обработкой восстановителем (сульфатом натрия, гидразином). В энергетике и некоторых отраслях техники воду освобождают также от стимуляторов локальной коррозии, например, хлоридов. Эффективно снижают агрессивность водных сред небольшие добавки (редко более 1%) ингибиторов коррозии, защитное действие которых обусловлено образованием прочно связанных с поверхностью нерастворимых продуктов коррозии. Обычно применяют анодные ингибиторы гидроксид, карбонат, силикат, борат, фосфаты, нитрит и бензоат натрия и катодные (сульфаты цинка, бикарбонат натрия и некоторые др.). Анодные ингибиторы в недостаточной концентрации вызывают питтинговую коррозию. Они более эффективны в смеси с катодными ингибиторами, причем совместное действие часто превосходит сумму отдельных эффектов. В кислых средах используют специфические, главным образом органические ингибиторы. Особый класс составляют ингибиторы-пассиваторы, переводящие металл в пассивное состояние посредством смещения его электродного потенциала в более положит. область. Это окислители, чаще пероксидного типа, а также соединения благородных металлов, обменное осаждение которых на защищаемом металле способствует достижению потенциала пассивации. Агрессивность атмосферы сильно зависит от ее влажности и от того, является ли район промышленным, сельским, морским и т. п. (см. Атмосферная коррозия). Для любого металла в зависимости от гигроскопичности продуктов его коррозии и пылевых частиц, попадающих на поверхность, имеется некоторая критичическая относительная влажность, ниже которой он не подвергается атм. коррозии; для Fe, Cu, Ni, Zn она находится в пределах от 50 до 70%. Поэтому в открытой атмосфере целесообразна периодическая очистка поверхности изделия от гигроскопических загрязнений. Гигроскопичность продуктов коррозии стали уменьшают легированием медью в небольших количествах. Для изделий, имеющих историческая ценность, темперару их хранения иногда искусственно поддерживают несколько выше точки росы. В полостях и упаковках ценных изделий пониженную относительную влажность поддерживают с помощью поглотителей влаги. Весьма эффективны также летучие ингибиторы коррозии, например, карбонат или нитрат циклогексиламина, которые, медленно испаряясь, осаждаются на защищаемой поверхности с образованием независимой адсорбционной пленки. Однако, защищая сталь, такие ингибиторы могут усиливать коррозию др. металлов. Поэтому для защиты от коррозии изделий, включающих различные металлы, необходимы специальные составы. Распространены упаковочные материалы (бумага, картон, пленка), содержащие подходящий ингибитор коррозии. Агрессивность промышленной атмосферы определяется в основном продуктами сгорания топлив и другими выбросами (SO2, CO2, H2S, NO2, NH3, сажа, взвеси солей). Из них главным стимулятором коррозии является SO2, превращающийся на поверхности металла во влажной атмосфере в серную кислоту. В закрытых объемах стимуляторами коррозии оказываются пары орг. кислот (муравьиной, уксусной, пропионовой), выделяющиеся из некоторых сортов древесины, пластмасс, клеев, красок. Единственный путь снижения агрессивности промышленной атмосферы — устранение выбросов, в помещениях кондиционирование и фильтрация поступающего воздуха. Коррозионная агрессивность почвы определяется содержанием в ней О2, влажностью, электрической проводимостью, рН (см. Подземная коррозия). В кислых почвах куски извести вблизи зарытого в почву металла могут долго создавать рН, достаточный для поддержания металла в пассивном состоянии.
Защитные изолирующие покрытия. Из органических изолирующих покрытий для защиты от атмосферной коррозии широко используют лакокрасочные, для подземных конструкций — толстые покрытия из каменного-угля пека, битумов, полиэтилена, сочетаемые с катодной электрохимической защитой. Для улучшения адгезии производится подготовка поверхности под покрытие: тщательная (мех. или хим.) очистка от грязи и продуктов коррозии, специальная химическая или электрохимическая обработка (фосфатирование, хроматирование, анодирование). Сплошность повышают использованием многослойных (обычно трехслойных) покрытий. От первого (грунтовочного) слоя требуется макс. адгезия к металлу и хорошие защитные характеристики, достигаемые введением пигментов с ингибирующими свойствами (свинцовый сурик, хромат цинка). Конечная толщина покрытия обычно не превышает 0,75 мм. Применение вместо натуральных масел современных синтетических материалов позволяет увеличить срок службы покрытия в 3-5 раз. Некоторые пластмассы, напр., эпоксидные и полиуретановые смолы, надежно защищают металл в виде тонких покрытий; другие (поливинилхлорид, полиэфиры, некоторые фторзамещенные полиолефины, полиэтилен) используются в виде относительно толстых покрытий. Толстые и особенно армированные покрытия можно рассматривать как коррозионностойкую футеровку. Среди неорганических защитных покрытий важными являются стекловидные эмали, используемые преим. для защиты чугунных и стальных изделий (резервуары, ванны, бытовая техника) от воздействия атмосферы, воды и других сред. Внутренняя поверхность стальных трубопроводов, резервуаров для горячей и холодной воды, емкостей для хранения нефти и некоторых продуктов химической промышленности можно защищать дешевыми покрытиями из цемента. Особый класс составляют т. наз. конверсионные защитные покрытия, которые состоят из стойких соединений на основе самого покрываемого металла (фосфатных, хроматных, оксидных), получаемых путем его хим. или электрохимической обработки. Их используют преим. как основу под лакокрасочные покрытия.
Электрохимическая защита основана на характерной зависимости скорости коррозионных процессов от электродного потенциала металла. Катодную защиту широко используют для снижения скорости коррозии подземных сооружений (трубопроводов, кабелей связи, свайных и стальных фундаментов), корпусов морских судов, эстакад, морских буровых скважин. Обычно катодная защита применяется в нейтральных средах, когда коррозия протекает с кислородной деполяризацией, и, следовательно, в условиях повышения катодной поляризуемости металла. Существуют два варианта катодной защиты. В первом варианте требуемое смещение электродного потенциала достигается путем катодной поляризации с помощью внеш. источника тока и вспомогательных инертных анодов (защита с наложенным током); во втором — посредством контакта его с массивными электродами из более электроотрицательного металла, которые, анодно растворяясь, обеспечивают протекание катодного тока к защищаемой конструкции (гальваническая защита). В качестве «жертвенных» анодов используют сплавы. Первый вариант применяют для защиты протяженных конструкций, обычно в комбинации с изолирующими покрытиями, в средах как с низким, так и с высоким электрическим сопротивлением. Преимущество его — в легкости регулирования защитного тока и поддержании защитного потенциала даже в условиях изменения изолирующих свойств покрытия во времени. Однако при использовании катодной защиты с наложенным током др. металлическая конструкция, расположенная вблизи защищаемой, может служить проводником и подвергаться усиленной коррозии. Гальванический вариант катодной защиты обычно применяют для защиты от коррозии небольших конструкций с хорошим покрытием и низким потреблением тока или для локальной защиты. Обычно при этом не наблюдается коррозия соседних металлических конструкций. Анодная защита, используемая в кислых средах, применима к металлам и сплавам, способным пассивироваться и оставаться пассивными в сравнительно широком интервале значений их потенциалов (большинство переходных металлов и сплавов на их основе, включая нержавеющие и углеродистые стали). Металл пассивируется и поддерживается в пассивном состоянии путем поляризации его внеш. анодным током. Ввиду малой величины тока его проникающая способность высока и защите поддаются даже отдаленные от катода участки поверхности. Чаще, однако, этот метод используют для защиты емкостей, содержащих агрессивные химические продукты.
Источник
