Атмосферная коррозия

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Процессы разрушения материалов, вызванные действием на них различных химических веществ, называются коррозией. Химические вещества, разрушающие строительные материалы, называются агрессивными. Агрессивной средой может служить атмосферный воздух, вода, различные растворы химических веществ, газы.

Атмосферная коррозия происходит в обычных атмосферных условиях при взаимодействии кислорода воздуха, влаги и металла. Этой коррозии подвергаются изделия, имеющие большую поверхность, например кровли, металлические фермы, стропила, мосты.

Подводной коррозии подвергаются различные сооружения, находящиеся в воде, причем процесс усиливается при наличии в воде даже незначительного количества кислот или солей.

В зависимости от природы агрессивной среды коррозия металла может происходить химическим и электрохимическим путем.

Химический коррозионный процесс возникает при действии на металлы сухих газов при высоких температурах или жидких неэлектролитов (жидкостей, не проводящих электрический ток). К химической коррозии относится также разрушение металла кислородом сухого воздуха и другими газами (углекислым, сернистым) .

Электрохимический коррозионный процесс вызывается действием на металл электролитов -- жидкостей, проводящих электрический ток. При электрохимической коррозии разрушение металла связано с возникновением и протеканием электрического тока с одних участков металла на другие. Электрохимический коррозионный процесс может возникать также при контакте двух разнородных металлов. Например, при контакте железа с хромом будет разрушаться хром, железа с медью -- железо.

Атмосферная коррозия

Атмосферная коррозия - коррозионное разрушение конструкций, оборудования, сооружений, эксплуатируемых в приземной части атмосферы. Атмосферная коррозия носит менее разрушительный характер, чем почвенная и морская.

Скорость атмосферной коррозии зависит от некоторых факторов: природы металла, окружающей его атмосферы, влажности воздуха.

Виды атмосферной коррозии

Атмосферную коррозию по степени увлажненности поверхности принято разделять на сухую, влажную и мокрую. Влажная и мокрая протекают по электрохимическому механизму, а сухая -химическому.

Сухая атмосферная коррозия наблюдается при отсутствии на поверхности металла пленки влаги. Если относительная влажность воздуха составляет 60% и меньше - протекает сухая атмосферная коррозия. Механизм коррозионного разрушения - химический. На поверхности образуются защитные оксидные пленки, которые тормозят процесс коррозии.

Сначала процесс протекает быстро (образование тонкой окисной пленки), потом - сильно замедляется и устанавливается постоянная, очень маленькая скорость коррозии. Такое явление обусловлено невысокой температурой окружающей среды. На металле почти сразу (может пару часов) образуется тонкая окисная пленка, которая приводит к потускнению поверхности. Толщина окисной пленки на поверхности нержавеющей стали может составлять 10 - 20 A, железе - 30 - 40 A. Предельная толщина слоя влаги при протекании сухой атмосферной коррозии может составлять 100 A. Если в атмосфере присутствуют примеси агрессивных газов (например, сернистые газы) - скорость коррозии значительно возрастает.

Влажная атмосферная коррозия наблюдается при наличии на поверхности тончайшей пленки влаги. Толщина такой пленки составляет от 100 A до 1 мкм. Относительная влажность воздуха, при которой начинается образование влажной пленки, составляет около 60 - 70%. Значение, при котором начинается конденсация на поверхности влаги, называется критической влажностью. Критическая влажность зависит от загрязнения воздуха и состояния металла. Конденсация влаги при этом происходит по капиллярному, химическому либо адсорбционному механизму.

Капиллярная конденсация влаги. Наблюдается в щелях, зазорах, трещинах на поверхности металла, порах в пленке продуктов коррозии, под загрязнениями и т.п.

Адсорбционная конденсация влаги. Возникает в результате проявления на поверхности металла адсорбционных сил.

Химическая конденсация влаги проявляется во взаимодействии продуктов коррозии с атмосферной влагой. При этом образуется ржавчина, которая и удерживает эту влагу.

Мокрая атмосферная коррозия протекает при относительной влажности воздуха около 100%, когда на поверхности влага собирается в виде хорошо видных капель, либо при прямом воздействии на конструкцию дождя, тумана. Мокрая атмосферная коррозия также наблюдается на конструкциях, которые обливаются водой либо полностью погружаются. При мокрой коррозии пленка влаги в толщину составляет более 1 мм.

Факторы атмосферной коррозии

Влажность воздуха при атмосферной коррозии

Наличие на поверхности металлоконструкции влаги усиливает атмосферную коррозию. Влага чаще всего поступает в качестве атмосферных осадков (дождь, туман). С повышение температуры значение относительной влажности уменьшается.

Существует критическое значение атмосферной влажности.

Для каждого сплава или металла это свое определенное число.

Для никеля, цинка, стали, меди значение критической влажности составляет около 50 - 70%. Если относительная влажность воздуха укладывается в рамки вышеназванных - то коррозионное разрушение перечисленных металлов незначительно. Если же выше - начинается усиленное разрушение. При сильно загрязненной атмосфере (например, технологическая среда) понятие критической влажности не всегда применяется и играет важную роль, т.к. коррозионный процесс значительно усиливается за счет вредных примесей в атмосфере.

Примеси в атмосфере (газы)

Загрязнение атмосферы газами резко увеличивает скорость коррозии.

Очень агрессивной средой является технологическая, вблизи больших промышленных предприятий, которые ежеминутно выбрасывают в воздух вредные примеси. Присутствие SO2, SO3, HCl, H2S, Cl2, NH3 и других соединений значительно увеличивает скорость атмосферной коррозии.

Интересное и самое сильное влияние оказывает SO2 (диоксид серы). Малая его концентрация (15 - 35 мкг/м3) очень сильно увеличивает скорость коррозии (десятки и сотни раз). В больших же концентрациях скорость атмосферной коррозии увеличивается не так сильно (всего в 5 - 7 раз). Этот компонент образуется при сгорании угля, газолина, нефти.

Газы, попадая на пленку влаги на поверхности металлоконструкции, увеличивают электропроводность этой пленки. SO2 и Cl2 воздействуют как катодные деполяризаторы, SO3 и HCl увеличивают поглощательную способность продуктов коррозии, NH3 действует как комплексообразователь, SO2 и HCl - депассиваторы.

Очень сильно увеличивает скорость коррозии содержание в атмосфере серной кислоты. Особенно это относится к неустойчивым в ней металлам - железо, никель, цинк, кадмий. Медь в таких случаях белее устойчива, т.к. на ее поверхности образуется защитная пленка из ее основного сульфата зеленого цвета (патина).

Твердые частицы в атмосфере

Из атмосферы на поверхность попадают твердые активные либо пассивные частицы. Они могут действовать как депассиваторы, комплексообразователи, увеличивать электропроводность пленки влаги и поглощательную способность (гигроскопичность) продуктов коррозии, облегчать капиллярную конденсацию влаги (такой инертный материал как песок). В атмосфере встречаются такие твердые частицы, как Na2SO4, NaCl, (NH4)2SO4, частицы угля, различные соединения углерода, оксиды металлов и другие. Эти вещества в виде твердых частиц или пыли контактируют с влажной поверхностью металлоконструкции, образуют гальванические элементы, интенсифицируя процесс коррозии.

Поэтому незапыленный воздух гораздо менее активен, чем загрязненная различными частицами атмосфера.

Катодные включения в атмосфере

Включения меди, палладия, платины, а также некоторых других металлов несколько повышают сопротивляемость железоуглеродистых сплавов коррозионному разрушению. Медь, которая может входить в состав таких сплавов замедляет коррозию, т.к. способствует пассивированию поверхности железа. При атмосферной коррозии палладий воздействует аналогично даже при очень маленьких его добавках в сплав.

Географический фактор

В различных географических местностях влажность, загрязнение атмосферы, температура различаются. Наибольшее влияние на атмосферную коррозию оказывает влажность воздуха. Установлено, что в регионах с постоянно повышенной влажностью коррозионные процессы протекают интенсивнее. Основное влияние оказывает не количество дождливых дней, а время нахождения на поверхности металла пленки влаги.

В пустынях, где влажность воздуха очень маленькая, на поверхности стальных изделий оксидная пленка появляется через достаточно большой промежуток времени, изделия долго остаются блестящими.

Температура окружающей среды

С повышением температуры окружающей среды процесс атмосферной коррозии замедляется. Влага, покрывающая поверхность металлоизделия, испаряется, уменьшается абсолютная влажность воздуха. С понижением температуры все происходит наоборот. Повышается относительная влажность среды, что способствует конденсации влаги. Скорость атмосферной коррозии увеличивается.

Особенности протекания атмосферной коррозии металлов

Поверхность металла покрыта тонкой пленкой электролита. В качестве электролита может выступать как сама влага, так и продукты коррозии, впитавшие влагу.

Особенностью атмосферной коррозии является возможность свободного подхода кислорода к корродирующей поверхности. Это обусловлено малой толщиной пленки и за счет конвекции перемешивания электролита. Именно поэтому даже в подкисленных электролитах атмосферная коррозия протекает с кислородной деполяризацией.

Также из-за тонкого слоя влаги на поверхности корродирующего металла анодный процесс идет с затруднением, а протекание катодного, наоборот, облегчается.

При работе гальванопар небольшая толщина пленки влаги тоже играет свою роль - увеличивается омическое сопротивление электролита.

Атмосферная коррозия сплавов, в основу которых входит железо (например, сталь), протекает с анодно-такодно-омическим контролем. Но в зависимости от некоторых условий (толщина, электропроводность пленки влаги, ее состав, природа металла) анодно-такодно-омический контроль может переходить в преимущественно анодный, преимущественно катодный или омический.

Уравнение атмосферной коррозии:

Анод: ионы металла переходят в раствор:

Мe> Мen+ + ne

Катод: проходит реакция восстановления:

O2 + 2H2O + 4e > 4OH- (щелочные, нейтральные среды)

O2 + 4H+ + 4e > 2H2O (подкисленная среда)

Во многом стойкость металлов и сплавов, в условиях атмосферной коррозии, зависит от природы металла и состояния его поверхности.

Защита металлов и сплавов (стали) от атмосферной коррозии

Для защиты от атмосферной коррозии применяют множество различных методов.

Нанесение металлических или неметаллических покрытий. Неметаллическими защитными покрытиями могут выступать различные смазки, пасты, лакокрасочные материалы.

Часто в их состав дополнительно вводят ингибиторы, пигменты, пассивирующие поверхность (например, цинк-хроматный пигмент для стали). Иногда поверхность превращают в труднорастворимый оксид или фосфат, обладающий защитными свойствами. Металлическими покрытиями служат цинковые, никелевые, многослойные.

Снижение относительной влажности воздуха. Очень эффективный способ защиты металла от коррозии. Удаление влаги осуществляют подогревом помещения (отопление) либо осушкой воздуха. Очень часто достаточно поддерживать влажность атмосферы до 50 %. Если воздух содержит пиль, другие примеси, то 50% влажность очень велика.

При осушке воздуха или повышении температуры затрудняется конденсация влаги на металле, что приводит к значительному уменьшению скорости коррозии.

Применение контактных и летучих (парофазных) ингибиторов. Контактные замедлители коррозии наносятся на поверхность изделия в виде водных растворов. Примером контактного ингибитора атмосферной коррозии может служить NaNO2.

Летучие ингибиторы обладают высокой упругостью паров, применяются при длительном хранении стальных либо других металлических изделий, транспортировке. Летучими ингибиторами коррозии заполняют герметичное пространство (защита внутренней части трубы, на концах которой стоят специальные заглушки) либо ими пропитывают оберточные материалы (бумага). Летучими ингибиторами могут пропитываться специальные гранулы, которыми заполняют объем упаковки защищаемого изделия. Примеры летучих ингибиторов: карбонаты, нитриты, бензоаты моноэтаноламина и дициклогексиламина.

Легирование металлов. Добавление в сталь небольшого количества никеля, хрома, алюминия, титана (переводят поверхность стали в пассивное состояние), меди (катодная добавка), фосфора тормозят анодную реакцию.

Морская коррозия

атмосфера морской коррозия парофазный

Морская коррозия - один из видов электрохимической коррозии. Морская вода - отличный электролит. Морская вода хорошо аэрирована (около 8 мг/л кислорода), имеет достаточно высокую электропроводность (может достигать 3*10-2 Ом-1 см-1), которая исключает появление омического торможения. Среда - нейтральная (рН = 7,2 - 8,6). В морской воде присутствуют соли кальция, калия, магния, сульфаты натрия, хлориды.

Именно из-за наличия в морской воде растворенных хлоридов (ионов-активаторов Cl-) она обладает депассивирующим действием, по отношении к металлической поверхности (разрушает и предотвращает появление пассивных пленок на поверхности металла).

Морской коррозии подвергаются: металлическая обивка днищ судов, подводные трубопроводы, морская авиация, различные металлоконструкции, находящиеся в воде, металлические конструкции в портах, прокатные валки на блюминге, которые охлаждаются морской водой и т.п.

Наиболее часто выбирают для эксплуатации в условиях морской коррозии сталь. Для быстроходных морских судов и морской авиации используют более легкие сплавы.

Особенности процесса морской коррозии:

- высокая агрессивность среды (как самой воды, так и окружающей атмосферы);

- большое влияние контактной коррозии металлов;

- дополнительное влияние механического фактора (эрозия, кавитация);

- протекание биологической коррозии и большое влияние биологического фактора (обрастание днища морского суда микроорганизмами).

Морская коррозия протекает с кислородной деполяризацией и является электрохимическим процессом. Процесс проходит по смешанному дифузионно-кинетическому катодному контролю. При интенсивной аэрации, быстром движении морского суда или самой воды (течение) может преобладать кинетический контроль. В условиях неподвижной морской воды или при наличии на металлической поверхности толстого шара вторичных продуктов коррозии преобладает диффузионный катодный контроль.

В условиях морской коррозии защитная пленка (оксидная или шар продуктов коррозии) являются катодом, а металл в порах, трещинах и других дефектах - анодом.

При протекании морской коррозии кроме равномерного разрушения дополнительно образуются глубокие язвы.

Морская атмосфера менее агрессивна, чем промышленная.

При протекании морской атмосферной коррозии разрушения носят более равномерный характер, чем коррозия в морской воде.

Факторы морской коррозии металлов

Соленость воды.

Соленость воды - влияет на скорость протекания морской коррозии незначительно. Соленость воды колеблется от 10‰ (Азовское море) до 35,6‰ (Тихий океан). Величина солености воды показывает количество твердых веществ в граммах, растворенных в 1000 г морской воды.

Состав морской воды

Состав морской воды иногда может играть достаточно большую роль. Например, присутствие в воде сероводорода облегчает протекание как катодного, так и анодного процессов коррозии. На поверхности металла образуются труднорастворимые сульфиды, кроме того идет подкисление среды. Ионы брома, йода даже при очень малом их содержании ускоряют процесс морской коррозии металлов. Некоторые соединения могут оказывать благоприятное действие (углекислый кальций, кремнекислые соединения).

Они образуют на поверхности металла или сплава оксидную пленку, обладающую защитным эффектом.

Движение водных масс

Движение водных масс влияет на скорость диффузии кислорода. При интенсивном перемешивании воды (быстрое движение морского суда) процесс проходит преимущественно с кинетическим контролем, а при неподвижной воде - диффузионным.

Ватерлиния

Ватерлиния - зона периодического смачивания водой. Морская коррозия вблизи ватерлинии всегда носит усиленный характер. Это связано с облегченным доступом кислорода к поверхности (усиленной аэрацией поверхности металла); агрессивным влиянием брызг (на месте высохших брызг остаются кристаллики соли, которые препятствуют образованию защитных пленок); поверхностный слой морской воды более прогретый солнечными лучами и в условиях усиленной аэрации идет усиление коррозии металла.

Зазоры и щели

Наличие зазоров и щелей в металлоконструкции очень негативно влияет на морскую коррозию металла. Металл в щели плохо аэрирован и играет роль анода, проходит его усиленное растворение.

Прокатная окалина на поверхности металла

Наличие на поверхности металлоконструкции участков, неочищенных от прокатной окалины в десятки раз может ускорить протекание морской коррозии. На поверхности металла возникает гальванопара. В этом случае окалина является катодом, а чистый металл - анодом. Проходит анодное растворение металла. Такой же эффект наблюдается при наличии окрашенных участков (по отношению к неокрашенным) или при нарушении сплошности лакокрасочного покрытия.

Биологическая морская коррозия

Присутствие в морской воде различных микроорганизмов (бактерии, моллюски, кораллы и т.д.) обуславливает прохождение биокоррозии металла. Из-за их наростания и скопления на обивке днищ судов и других его частях, к поверхности плохо подходит кислород, возникают различные неровности, происходит разрушение поверхности, усиленное коррозионное разрушение в щелях и зазорах.

Иногда обрастание металлоконструкции микроорганизмами имеет и положительный характер. Образовавшийся слой может тормозить коррозионный процесс. Вот, например, обрастание поверхности стали мидиями значительно тормозит коррозию сплава. Это явление объясняется значительным потреблением мидиями кислорода.

Кроме значительного влияния микроорганизмов на коррозионный процесс, их значительное скопление на днище морского суда может несколько тормозить его ход, при этом необходимо увеличивать мощность двигателей.

Морской биокоррозии наиболее часто подвергаются стали, сплавы на никелевой, алюминиевой основе, свинец, олово сплавы на их основе.

Магний и цинк морской биокоррозии могут не подвергаться.

Наилучшим материалом для применения в условиях биокоррозии можно считать медь. Ее ионы токсичны и поверхность не обрастает.

Контактная коррозия

Очень часто в условиях морской атмосферы наблюдается контактная коррозия металлов. Отчасти это обусловлено хорошей электропроводностью морской воды.

Очень многие металлы, находясь в морской воде становятся катодами по отношению к стали.

Электрокоррозия

Электрокоррозия возникает в морской среде по двум причинам: во-первых, под действием блуждающих токов (особенно в районе порта и т.п.); во-вторых - в результате неправильных схем питания на судне или других объектах.

Механический фактор

В результате воздействия механического фактора возможна коррозионная усталость, коррозионная эрозия и кавитация.

Защита от морской коррозии

Наиболее распространенный метод защиты металлических изделий от морской коррозии - нанесение лакокрасочных материалов (ЛКМ).

В этих целях используются лакокрасочные материалы на основе битумов, фенолформальдегидной (краски АИШ), винилов (этинолевые лакокрасочные материалы), эпоксидной, каменноугольной основе. Содержание растворителей должно сводится к минимуму либо к нулю.

Лакокрасочные материалы хороши тем, что их достаточно просто наносить и при введении в их состав некоторых добавок можно добиться дополнительных защитных эффектов. Введение в краску окиси меди, окиси ртути или оловоорганических соединений делает краску необрастающей. Окись меди при вымывании с покрытия образует труднорастворимый комплекс. Эти вещества токсичны для микроорганизмов. Необрастающую краску наносят только на часть металлоконструкции, находящуюся в непосредственном контакте с водой.

При защите металла от морской коррозии поверхность сначала подвергают холодному фосфатированию, а только потом наносят толстослойное защитное лакокрасочное покрытие.

Лакокрасочные материалы на виниловой основе сами по себе обладают необрастающим эффектом.

Сплавы на основе алюминия защищают от морской коррозии при помощи оксидирования.

Для защиты от морской коррозии очень часто используют металлические защитные покрытия. Самое распространенное - цинковое. Толщина цинкового покрытия должна составлять около 150 - 200 мкм. Его можно использовать как самостоятельное защитное покрытие, так и в качестве основы под покраску.

Для обивки днища морского суда может использоваться легированный лантаном или цинком алюминий. Алюминиевое покрытие обладает высокой устойчивостью к коррозии, его можно применять в комплексе с лакокрасочным покрытием. Кроме того алюминиевые покрытия имеют повышенную стойкость к эрозии.

Для защиты стали от морской коррозии первым делом ее поверхность тщательно очищают от прокатной окалины. Для этого используют пескоструйную очистку, либо пламя, или же химическое травление. На обработанную и заранее подготовленную поверхность далее наносят лакокрасочное или металлическое покрытие.

Низкое легирование стали незначительно увеличивают ее стойкость в морской воде.

Высоколегированные хромоникелевые и хромистые стали в морской воде подвергаются местной язвенной и щелевой коррозии.

Высокой стойкостью к морской коррозии отличается медь и ее сплавы, особенно монель-металл, состоящий с 25 - 30% меди, а остальное - никель.

Широкое применение в практике защиты от морской коррозии нашла электрохимическая защита(протекторная или от внешнего источника тока).

Такая защита от морской коррозии может применятся самостоятельно или в комплексе с защитными покрытиями.

Особое место при защите конструкции от морской коррозии занимает рациональное конструирование. Правильный подбор материалов (во избежание контактной коррозии), защитных покрытий, равномерное распределение по всей конструкции напряжений и т.п. могут значительно продлить срок службы металлоконструкции.

Электрокоррозию можно предупредить, использую дренирование или же применяя специальные электросхемы.

Для защиты металлоконструкций от морской биологической коррозии применяют лакокрасочные материалы с биоцидными добавками. Также есть данные об использовании метода ультразвуковой защиты. Недостатком метода является большое потребление энергии и постепенное разрушение защищаемого материала. Суть метода состоит в воздействии на защищаемую поверхность ультразвуковых колебаний, имеющих частоту 23 - 27 кГц.

Для комплексной защиты стали от морской коррозии можно применять ультразвуковую и катодную защиту одновременно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, коррозией называют самопроизвольный процесс разрушения материалов и изделий из них под химическим воздействием окружающей среды.

Металлы составляют одну из основ цивилизации на планете Земля. Среди них как конструкционный материал явно выделяется железо. Объем промышленного производства железа примерно в 20 раз больше, чем объем производства всех остальных металлов, вместе взятых. Широкое внедрение железа в промышленное строительство и транспорт произошло на рубеже XVIII...XIX вв. В это время появился первый чугунный мост, спущено на воду первое судно, корпус которого был изготовлен из стали, созданы первые железные дороги. Однако начало практического использования человеком железа относят к IX в. до н.э. Именно в этот период человечество из бронзового века перешло в век железный.

Тем не менее история свидетельствует о том, что изделия из железа были известны в Хеттском царстве (государство Малой Азии), а его расцвет относят к XIV...XIII вв. до н.э.

Несмотря на широкое внедрение в нашу сегодняшнюю жизнь полимерных материалов, стекла, керамики, основным конструкционным материалом продолжает оставаться железо и сплавы на его основе. С изделиями из железа мы на каждом шагу встречаемся в быту и знаем, как много хлопот доставляют его ржавление и сама ржавчина. Ржавлением называют только коррозию железа и его сплавов. Другие металлы корродируют, но не ржавеют. Хотя корродируют практически все металлы, в повседневной жизни человек чаще всего сталкивается с коррозией железа.

Строгие расчеты показывают, что большинство металлов имеет склонность к коррозии. Поэтому удивительно не то, что металлы корродируют, а то, что изделия из них могут существовать длительное время.

Скорость, с которой протекает коррозия, не поддается теоретическому вычислению. Как правило, она определяется опытным путем.

Скорость прежде всего зависит от характера образующихся продуктов коррозии и прочности их сцепления с металлом.

Размещено на Allbest.ur