Способы защиты металлических конструкций коррозии

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

Защита металлоконструкций от коррозии

Различают несколько видов агрессивных сред, оказывающих негативное воздействие на металлоконструкции: воздух, грунт, газ и жидкости (вода и химически активные составы). Уже на этапе проектирования предусматривается защита металлоконструкций от коррозии согласно действующим нормам в строительстве (СНиП).

Общие принципы

Все защитные способы условно выделены в две основные группы.

Первая предусматривает необходимые мероприятия непосредственно в процессе производства:

• повышение стойкости к ржавчине путем определенных изменений в химическом составе материала;
• изоляция металла от агрессивных воздействий.

Вторая группа охватывает методы противодействия в эксплуатационном периоде:

• понижение степени агрессивности среды;
• уменьшение коррозийных процессов, основываясь на действии закона гальваники.

Конкретные способы защиты металлоконструкций от коррозии имеют свои этапы подготовки и технологию выполнения, определяемые соответствующими ГОСТ и ТУ.

Известный и эффективный метод придания металлу высокой антикоррозийной стойкости. Это ничто иное, как популярная во всех сферах жизни «нержавейка» – сталь с введением в ее состав хрома, меди, вольфрама, никеля. Такие добавки придают пассивность металлу и заодно повышают его жаропрочные характеристики.

Защитные покрытия

Способ создания на поверхности защитного пленочного слоя, применяется как в промышленных масштабах, так и в быту.

1. Нанесение дополнительного металла, имеющего более высокие собственные антикоррозийные свойства – цинк, олово, хром, никель. Выбор одного из видов таких материалов и определяет название технологического процесса.

Самой распространенной защитой металлоконструкций от коррозии в этой подгруппе, является метод цинкования. Анодные покрытия создают электрохимическую защиту металла, в то время как катодные – только механическую. При нарушении последних, невосприимчивость основного материала к ржавчине исчезает.

Техника выполнения может быть разной:

• погружение в горячий металл;
• осаждение солей из электролита на изделии;
• напыление плазменной струей (газотермический метод);
• плакирование – одновременная горячая прокатка обоих металлов, обеспечивающая их прочное сцепление. В результате создается особый вид – биметалл.

Требование СНиП. Обязательная защита металлоконструкций от коррозии горячим цинкованием и плазменным напылением предусмотрена для соединений на сварке, болтах и заклепках, а также отдельных монтажных деталей.

2. Неметаллические покрытия

Суть такого способа заключается в изолировании металла от воздействия агрессивных факторов. Представляет собой:

• покрытия органического происхождения – лакокрасочные смеси, смолы, полимерные пленки.

Краски для антикоррозийной обработки состоят из взвешенных частиц пигмента в органическом связующем, а лаки изготовлены на основе смолы с растворителем.

Лакокрасочные материалы (ЛКМ)хорошо заполняют все отверстия, они однородны, пластичны и имеют высокие адгезивные свойства. При правильном нанесении, подобная защита металлоконструкций от коррозии будет эффективна в течение 5 лет.

Требование СНиП. Стальные конструкции перед нанесением лакокрасочного состава должны быть очищены (степень 1). Уровень очистки алюминиевых поверхностей не нормируется.

Если добавить в состав краски или лака достаточное количество металлической пыли, то в этом случае ЛКМ приобретает улучшенные свойства. В результате уже получится покрытие с эффектом протектора.

• неорганические – оксиды металлов, соединения хрома, эмали.

Хромирование выполняется диффузионным методом, а эмалирование проходит под действием высоких температур в заводских условиях. Недостаток эмалированных покрытий известен всем – они хрупкие и их несложно повредить при сильных механических воздействиях.

Хорошую защиту металлоконструкций от коррозии способна обеспечить прочная оксидированная пленка. Она получается в результате обработки металла растворами кислот.

Недостатком слоя из оксидов считается его невысокая стойкость во влажной среде, особенно в воде. Добавить прочности оксидной пленке можно дополнительной пропиткой маслами.

Требование СНиП. Химическое оксидирование алюминиевых конструкций производится с их последующим окрашиванием.

Коррозия – это самопроизвольный процесс, который может закончиться печальным образом. Главная задача состоит в том, чтобы еще до появления первых признаков ржавления металла, включая подповерхностные, провести необходимые профилактические процедуры.

Перечисленные способы противодействия ржавчине, широко распространены, но во многих случаях их применение возможно только в промышленных условиях. В быту приходится довольствоваться покрытием металла красками или лаками.

Источник

Коррозия металлических конструкций и способы борьбы с ней

Один из наиболее существенных недостатков металлических конструкций — коррозия. Ежегодно потерн металла от коррозии со­ставляют около четверти всего произведенного в мире железа.

Коррозия (от латинского corrodere — разъедать) стали являет­ся процессом химического или электрохимического разрушения ее. Разрушающей средой может быть кислород воздуха, разные газы и особенно водные растворы — электролиты, находящиеся на стали часто в виде тончайшей водяной пленки.

Таким образом, коррозией называют процесс электрохимичес­кого или химического разрушения металла при взаимодействии его с агрессивной средой (например следы ржавчины на поверхности стальных и чугунных изделий).

Коррозия вызывает серьезные экологические и экономические последствия, так как затраты, связанные с ремонтом или заменой приборов и коммуникаций, водопроводных труб, во много раз пре­вышают стоимость металла, из которого они изготовлены, а ее про­дукты вызывают загрязнение окружающей среды, негативно отра­жаются на здоровье и жизни людей.

Различают виды коррозии: атмосферную, подземную, контак­тную, электрохимическую, биологическую (в результате жизнедея­тельности микроорганизмов), химическую (при высоких темпера­турах в газах), коррозию блуждающими токами, коррозию в жид­костях, газовую коррозию, радиационную коррозию, коррозионную кавитацию, фреттинг-коррозию, межкристаллитную, коррозия-щелевую.

Коррозионные процессы классифицируют по механизму вза­имодействия металлов с внешней средой; по виду коррозионной среды и условиям протекания процесса; по характеру коррозион­ных разрушений; по видам дополнительных воздействий, которым подвергается металл одновременно с действием коррозионной среды.

По механизму процесса различают химическую и электрохи­мическую коррозию металлов.

Электрохимическая коррозия происходит под действием элек­тролита, причем ионы металла переходят в раствор. В растворе гид­раты закиси и окиси железа образуют собственно ржавчину, оседа­ющую на поверхности стали.

Процесс химической коррозии происходит под действием су­хих газов или в жидкостях, не проводящих электрического тока. Нередко оба указанных процесса развиваются совместно.

По виду коррозионной среды и условиям протекания различа­ют несколько видов коррозии:

• газовая коррозия — это химическая коррозия металлов в газо­вой среде при минимальном содержании влаги или при высо­ких температурах. В химической и нефтехимической промыш­ленности такой вид коррозии встречается часто (например, при получении серной кислоты на стадии окисления диоксида серы, при синтезе аммиака, получении азотной кислоты и хлористо­го водорода, в процессах синтеза органических спиртов, кре­кинга нефти и т. д.);
• контактная коррозия вызвана контактом металлов, имеющих разные стационарные потенциалы в данном электролите;
• коррозия внешним током возникает под воздействием тока от внешнего источника и коррозия блуждающим током под воз­действием блуждающего тока;
• радиационная коррозия — это коррозия, обусловленная дей­ствием радиоактивного излучения;
• коррозия под напряжением — коррозия, вызванная одновре­менным воздействием коррозионной среды и механических на­пряжений. Если это растягивающие напряжения, то может про­изойти растрескивание металла. Самый опасный вид коррозии, особенно для конструкций, испытывающих механические на­грузки.- Если металлические изделия подвергаются цикличес­ким растягивающим напряжениям, то можно вызвать коррози­онную усталость. Происходит понижение предела усталости металла. Такому виду коррозии подвержены рессоры автомо­билей, канаты, валки прокатных станов;
• коррозионная кавитация — разрушение металла, обусловлен­ное одновременным коррозионным и ударным воздействием внешней среды;
• фреттинг-коррозия — это коррозия, вызванная одновремен­но вибрацией и воздействием коррозионной среды. Устранить коррозию при трении или вибрации возможно правильным вы­бором конструкционного материала, снижением коэффициен­та трения, применением покрытий и т. д.

Коррозия называется сплошной, если она охватывает всю по­верхность металла. Сплошная коррозия может быть равномерной, если процесс протекает одинаковой скоростью по всей поверхно­сти металла, и неравномерной, когда скорость процесса неодинако­ва на различных участках поверхности. Равномерная коррозия на­блюдается, например, при коррозии железных труб на воздухе.

При избирательной коррозии разрушается одна структурная составляющая или один компонент сплава. В качестве примеров мож­но привести графитизацию чугуна или обесцинкование латуней.

Местная (локальная) коррозия охватывает отдельные участ­ки поверхности металла. Местная коррозия может быть выражена в виде отдельных пятен, не сильно углубленных в толщу металла; язв — разрушений, имеющих вид раковины, сильно углубленной в толщу металла, или точек, глубоко проникающих в металл.

Подповерхностная коррозия начинается на поверхности, но затем распространяется в глубине металла. Продукты коррозии ока­зываются сосредоточенными в полостях металла. Этот вид корро­зии вызывает вспучивание и расслоение металлических изделий.

Межкристаллитная коррозия характеризуется разрушением металла по границам зерен. Она особенно опасна тем, что внешний вид металла не меняется, но он быстро теряет прочность и пластич­ность и легко разрушается. Связано это с образованием между зер­нами рыхлых малопрочных продуктов коррозии. Этому виду разру­шений особенно подвержены хромистые и хромоникелевые стали, никелевые и алюминиевые сплавы.

Щелевая коррозия вызывает разрушение металла под проклад­ками, в зазорах, резьбовых креплениях и т. д.

Ржавчина вследствие высокой пористости не образует защитной пленки; наоборот, адсорбируя влагу, она интенсифицирует процесс коррозии. При высоких температурах коррозия протекает быстрее.

Металлические конструкции в большей степени подвержены атмосферной коррозии, потери от которой составляют около 50% всех коррозионных потерь и которая поражает около 70% исполь­зуемого металла.

Агрессивность атмосферы зависит от ее влажности и загряз­ненности. Агрессивность среды увеличивается при усилении заг­рязненности воздуха; например, сернистый газ, растворясь в воде, превращается в серную кислоту, окислы азота образуют азотную и азотистую кислоты и т. д.

Стали, неоднородные по химическому составу и по структу­ре, подвержены ускоренному процессу коррозии: например, то- масовская и бессемеровская стали более подвержены коррозии, чем мартеновские, а стали кипящие разрушаются быстрее, чем спокойные.

Стойкость сталей в отношении коррозии неодинакова. Напри­мер, малоуглеродистые и низколегированные стали необходимо за­щищать от коррозии. Имеется группа сталей, которые можно ис­пользовать без защиты от коррозии. Такие стали называются атмо­сферостойкими. К ним относятся слаболегированные стали, содержащие медь, никель, хром, фосфор и др. При взаимодействии с атмосферой на поверхности этих сталей образуется естественный защитный слой из продуктов коррозии, препятствующий дальней­шему корродированию.

Алюминиевые сплавы к коррозии в большинстве случаев бо­лее устойчивы, так как на открытом воздухе поверхность алюми­ния и его сплавов покрывается тонкой плотной пленкой окислов, хорошо защищающей металл. При тяжелых условиях эксплуата­ции алюминиевых сплавов в агрессивных средах требуется допол­нительная защита с помощью различных покрытий. Детали из алюминиевых сплавов, соприкасающиеся с бетоном или сталью, должны быть изолированы с помощью специальных прокладок из пластмассы или других материалов или защитных покрытий во избежание образования контактной коррозии.

Потери от коррозии во много раз превышают потери от разру­шения стальных конструкций по многим причинам: от недостаточ­ной прочности, устойчивости, выносливости и т. п. Поэтому при­нимать меры по защите металлических конструкций от коррозии столь же необходимо, как и обеспечивать их прочность и устойчи­вость. Это особенно относится к стальным конструкциям гидроме­лиоративного назначения, часть которых постоянно находится в воде, часть — на воздухе, а часть — попеременно то в воде, то на воздухе, т. е. в условиях, наиболее трудных для защиты от корро­зии. Меры по борьбе с коррозией нужно предусматривать в процес­се проектирования, затем в процессе изготовления и во все время эксплуатации конструкций.

Меры борьбы с коррозией можно разбить на три основных груп­пы: конструктивные, эксплуатационные и специальные защитные.

Конструктивные: правильный выбор марки стали с учетом . реальных условий эксплуатации и опасности коррозии; примене­ние сталей успокоенных плавок; правильный выбор материалов для креплений и деталей, если их изготовляют из других металлов.

В случае повышенной опасности коррозии применяют сплош­ные конструкции или сквозные, составленные из малого числа круп­ных сплошных элементов, которые легче осмотреть, проще очис­тить и окрасить с использованием механизмов.

В конструкциях, подверженных атмосферным осадкам, следу­ет отдавать предпочтение таким сечениям элементов и конструкци­ям узлов, которые устраняли бы возможность затекания и застоя воды и длительного накопления снега.

В конструкциях, периодически находящихся в воде (а также под­верженных переплескиванию волн), следует предусмотреть быст­рый сток воды и по возможности уход с этой водой большей части наносов. В горизонтально расположенных корытообразных элемен­тах необходимо устраивать специальные отверстия для стока воды. Все выступающие вверх ребра в таких элементах затрудняют сток воды и очистку от грязи и наносов.

Эксплуатационные: создание и соблюдение такого режима, который уменьшал бы отложение пыли и производственных выде­лений на элементах конструкций; интенсивное проветривание про­странства у конструкций для уменьшения концентрации вредных газов, а также для снижения темперагуры воздуха и конструкций.

Проветривание должно создавать в зоне расположения конст­рукций осушающий режим, препятствующий конденсации и адсор­бции влаги на частях конструкции и способствующий быстрому уда­лению влаги.

Следует периодически осматривать конструкции для выявле­ния мест повреждения защитных покрытий и мест развития корро­зии; очищать и заделывать такие места; периодически полностью возобновлять защитные покрытия конструкций.

Специальные защитные мероприятия. Вода является наи­более распространенной и дешевой технологической жидкостью, применяемой в промышленности. Основными проблемами, связан­ными с использованием воды в оборудовании, являются ее высокая коррозионная активность и склонность к образованию отложений. При этом снижается эффективность технологических процессов и ускоряется износ оборудования и конструкций. Существенные эко­номические потери несут предприятия из-за коррозии проката и готовых изделий при их хранении и транспортировке. Вдвойне ос­ложняется борьба с коррозией в отопительных системах промыш­ленных зданий из-за отложения солей жесткости и продуктов кор­розии на внутренних стенках труб систем отопления и охлаждения. Солевые отложения и коррозия со временем разрушают трубы, зна­чительно сужая проходное сечение трубопроводов.

Мерой, дающей полную гарантию от коррозии, является введе­ние в состав стали во время плавки легирующих добавок, делаю­щих сталь нержавеющей.

Введение никеля, хрома, меди и других добавок в десятых долях процента от веса стали делает эту сталь значительно более устойчи­вой против коррозии, чем углеродистые стали обыкновенного каче­ства, и экономически может быть оправдано. При этом необходимо учитывать, что сталь, обладающая достаточной сопротивляемостью коррозии в атмосферных условиях, может оказаться подверженной ей в воде, и наоборот.

Для защиты металлических конструкций от коррозии исполь­зуют различные типы искусственных покрытий. Они бывают ла­кокрасочными (из различных материалов) и металлоизоляционны­ми. Для нанесения металлоизоляционных покрытий применяют пла­кирование (покрытие при горячей прокатке слоем чистого алюминия толщиной около 2% толщины листа), анодирование (покрытие в сер­ной или хромовой кислоте под воздействием постоянного тока), галь­ванизацию (покрытие слоем цинка или никеля с последующим на­несением слоев меди, кадмия, хрома и др.) и обрызгивание (исполь­зуют и после монтажа).

Все больше распространяются пластмассовые покрытия из полиэтилена, полиизобутилена, фторопласта, нейлона, поливинил­хлорида и др., обладающие высокой водо-, кислото- и щелоче- стойкостью. Многие пластмассы используют как футеровочный ма­териал для химических аппаратов и гальванических ванн (винип­ласт, фаолит и др.). Эффективно защищают от действия кислот и др. реагентов покрытия на основе каучука (гуммирование). Под­земные сооружения, например трубопроводы, защищают от кор­розии битумами и асфальтами, а также полимерными лентами и эмалями; от влаги — с помощью дренажа, который отводит ее от конструкции.

Протекторная защита достигается добавлением в материал покрытия порошков более стойких к коррозии металлов, чем защи­щаемый. Для железа это цинк, магний, алюминий. Под действием агрессивной среды происходит растворение порошка-добавки, а за­щищаемый металл консервируется и не корродирует.

Широко применяются сегодня ингибиторы коррозии и наки- пеобразования для воды. Ингибиторы коррозии — это вещества, замедляющие коррозию металлов (от лат. «ингибео» — останавли­ваю, сдерживаю). Ингибиторы кислотной коррозии были известны еще в средневековье. Ингибиторами коррозии могут быть и компо­зиции химических соединений. Содержание ингибиторов в корро­зионной среде должно быть небольшим.

Ингибиторы коррозии подразделяются: по механизму своего действия — на катодные, анодные и смешанные; по химической при­роде — на неорганические, органические и летучие; по сфере сво­его влияния — в кислой, щелочной и нейтральной среде.

Действие ингибиторов коррозии обусловлено изменением со­стояния поверхности металла вследствие адсорбции ингибитора или образования с катионами металла труднорастворимых соединений. Защитные слои, создаваемые ингибиторами коррозии, всегда тонь­ше наносимых покрытий. Ингибиторы коррозии могут действовать двумя путями: уменьшать площадь активной поверхности или из­менять энергию активации коррозионного процесса.

Источник