Лекция 5. Коррозия в естественных условиях План лекции

Лекция 5. Коррозия в естественных условиях
План лекции:
1. Атмосферная коррозия
2. Подземная коррозия
3. Морская коррозия
1. Электрохимическая коррозия протекает в две стадии:
А: Me-Ze↔Mez+
К: ½O2+2e+H2 O↔2OHПочти 80% всех металлических конструкций, машин, приборов и др.
оборудования эксплуатируется в атмосфере. Атмосферная коррозия наиболее распространенный вид коррозийного разрушения Me, носит
электронный характер и протекает большей частью с О2-деполяризацией.
Атмосферную коррозию классифицируют по толщине, образовавшейся на
поверхности металла пленки влаги. На рис.2 представлена классификация
атмосферной коррозии.
I-область сухой коррозии. Конденсации влаги на поверхности металла
практически нет; коррозия протекает по химическому механизму.
II-область
влажной
коррозии.
Здесь
на
поверхности
металла
уже
присутствует электролит - адсорбционная пленка. Коррозия в этой области
протекает с анодным контролем (рис.3).
Ввиду того, что пленка влаги имеет не большую толщинку, кислород
проникает через нее беспрепятственно и катодный процесс не затруднен.
Воды не достаточно для гидратации переходящих в коррозийную среду
ионов. Т.к. пленка очень тонкая, большую роль играет омическое
торможение.
III-область мокрой коррозии. В этой
области присутствует уже фазовая
пленка воды. Здесь коррозия затруднена катодным процессом, т.к.
затрудняется диффузия кислорода к поверхности металла
IV- область полного погружения.
Железо и сталь в атмосферных условиях подвергаются общей
равномерной коррозии. Наличие узких щелей и зазоров, в которых возможна
конденсация и застой влаги, усугубляет атмосферную коррозию.
Уникальный случай стойкости Fe в атмосферных условиях - железная
колонна в Индии, изготовленная из Fe с примесями % C-0,08; Si-0,05; S0,006; P-0,114, следы Mn. Объяснение стойкости не только сухость воздуха и
чистота Fe. Запас количества тепла за день таков, что на поверхности не
может конденсироваться влага.
Влияние климатических факторов. По территории России скорость
коррозии металлических конструкций неодинакова. Составлены специальные
карты по коррозии Fe,Zn,Cd,Cn и Al, отражающие неравномерность коррозии
по территории России. Карта построена применительно к атмосфере
сельской местности, т.е. к атмосфере, не загрязненной промышленными
выбросами. По картам можно определить скорость коррозии в любой точке
России. Влияние загрязненности атмосферы может быть учтено введением
соответствующих поправочных коэффициентов.
Характер атмосферы и географический фактор оказывают большое
влияние на скорость атмосферной коррозии металлов.
Наиболее агрессивными являются сильно загрязненные металлы
индустриальные атмосферы, наименее активными – чистые и сухие
континентальные атмосферы. Влияние атмосферы на относительную
скорость атмосферной коррозии углеродистой стали:
Сухая континентальная – 1 – 9
Морская чистая – 38
Морская континентальная – 50
Индустриальная – 65
Индустриальная, сильнозагрязненная - 100.
Влияние посторонних газов
COS – кабонил сульфид.
SO2, SO3, H2S, NH3, Cl2, HCl. Эти газы, попадая в пленку влаги на
поверхности коррозионную пленку влаги на поверхности, увеличивает ее
электропроводность и скорость коррозии возрастает.
Влияние твердых частиц
Твердые частицы, например частицы угля попадая на поверхность
металла, облегчают адсорбцию газов и влаги из воздуха.
На рис.
представлено влияние частиц угля железа при и SiO2 на
скорость атмосферной коррозии железа при отсутствии и наличии SO2 в
атмосфере.
1. Частицы угля с SO2
2. Частицы угля без SO2
3. Частицы SiO2 с SO2
4. SO2 (0,01%)
Влияние температуры
Повышение температуры при постоянной абсолютной влажности
воздуха приводит к уменьшению его относительно влажности, что
затрудняет конденсацию влаги на поверхности металла и уменьшению
скорости коррозии.
Влияние природы металла
Стойкость металла к атмосферной коррозии зависит от их физико –
химической природы и состояния поверхности. Относительная величина
атмосферной коррозии некоторых металлов в городской атмосфере
приведена в таблице.
Металл
Pb
Al
Sn
Cu
Ni
Zn
Fe
Мкм/год
4
8
12
12
32
50
250
Наличие шероховатости поверхности металла облегчает конденсацию
влаги и ускоряет атмосферную коррозию.
Наиболее распространенны способ – применение
соответствующих
металлов и сплавов, достаточно устойчивых в промышленной атмосфере.
Повышение коррозионной стойкости углеродистых сталей достигается
их легированием более благородными металлами
или созданием на их
поверхности пассивности состояния. Проводится легирование Cu, Cr, Ni, Al
и др.
Эффективным является торможением омического процесса путем
уменьшения электрической проводимости слоя влаги, сконденсированного
на поверхности корродирующего металла. Этого можно достигнуть
снижение содержание газов, солей, пыли и др.
Применяются различные защитные металлические покрытия, а также
лакокрасочные покрытия, смазки и т.д.
2. Подземная коррозия металлических конструкций протекает в почве.
Имеет электрохимический механизм. Почва содержит органические веществе
и минеральные соли. Почва – верхний слой, слой под почвой – грунт. Грунт
не содержит органических веществ. Подземной коррозии подвержены
трубопроводы, кабель, сваи, опоры и т.д.
Большая протяженность трубопроводов приводит
к тому, что эти
трубопроводы соприкасаются с грунтами различного состава и строения,
влажности. Подземная коррозия проявляется поражений.
Влияние влажности грунта.
Влажность является существенным фактором грунтовый коррозии
металла. Для беспрепятственного протекания электрохимической коррозии
необходимо наличие достаточного количества воды в почве. Если грунт сухо,
коррозия не имеет места. Повышение влажности до 20% вызывает
увеличение скорости коррозии, т.к. при этом уменьшается омическое
сопротивление возникающих коррозионных микроэлементов.
Рис.1. Коррозия чугуна в грунте.
Максимум скорости коррозионного процесса
наблюдается при
влажности грунтов 25 %. Затем скорость коррозии падает, т.к. из-за
сплошности водяной пленки затрудняется доступ кислорода к металлу.
Влияние солевого состава.
В состав грунтов входят различные соли, органические кислоты.
Наиболее важными анионами и катионами, влияющими на скорость
коррозионного процесса, являются C-, NO3-, SO42-, HCO3-, Ca2+, Mg2+, K+,Na+.
Содержащие солей влияет на электропроводность грунта, снижается
омическое сопротивление, которая меняется от нескольких единиц до сотен
Ом на м2 . Увеличение засоленности грунта облегчает также протекание
анодного процесса за счет депассивирующего действия ряда анионов.
Кислотность грунта
pH грунтов колеблется от 9 до 3 (pH=3 – болотистые, торфяные
грунты) ускоряет коррозию в результате повышения
1. Растворимости вторичных продуктов коррозии и возможны;
2. Дополнительной катодный деполяризации водородными ионами.
Температура
В зависимости от географической широты и других условий
температура может меняться от -50 до 500С. Скорость коррозии возрастает в
зависимости от температуры. В экспериментальной зависимости резко
возрастает скорость коррозии в грунтах при оттаивании замедляется при
замерзании. Различие температур на отдельных участках протяженных
трубопроводов
приводит
к
возникновению
термогальванических
микроорганизмов.
Большое
влияние
на
процесс
подземной
коррозии
оказывают
микроорганизмы, продукты жизнедеятельности их ускоряет разрушение
металлов.
Жизнедеятельность микроорганизмов может проткать в аэробных и
анаэробных условиях. Аэробные условия в присутствии достаточного
количества кислорода. В анаэробных условиях бактерии вырабатывают H2S,
углекислоту, углеводороды. Восстановление сульфатов до сульфидов
приводит к образованию кислорода, коррозии увеличению скорости
коррозии. Присутствие сероводорода дает возможности протекать коррозии с
водородной
деполяризацией.
Аэробные
бактерии,
к
ним
относятся
серобактерии. В процессе жизнедеятельности они окисляют сероводород до
S2 , а серу они затем серной кислоты, что дает возможности для протекания
коррозии железа с H2 – деполяризацией .
Коррозия под действием блуждающих токов.
Блуждающие
токи
обусловлены
утечкой
токов
с
рельсов
электротранспорта, работающего на постоянном токе. В зависимости от
сопротивления грунта и рельсов ток проходит по земле и имеет величину,
доходящую до десятков и сотен. Встречая на своем пути металлических
сооружение, ток проходит по нему. Место вхождение тока в подземное
металлическое сооружение является катодным участком. Место, где тот
выходит – анодный участок. Блуждающие токи могут действовать в радиусе
до
10
м2
от
токонесущей
основы
(рельсовых
путей).Источниками
блуждающих токов могут быть электролизеры и гальванические валики.
Методы защиты:
1. Нанесение изолирующих покрытий;
2. Электрохимическая катодная защита от внешнего источника тока или
протекторная защита;
3. Создание среды, замедляющей коррозию.
Основной
метод
–
изолирующие
покрытия
это
битумные
и
каменноугольные покрытия.
3. Коррозии в морской воде подвержены металлические части морские
судов, различные судовые устройства, трубопроводы, металлические,
металлоконструкции морских портов и т.д.
Морская вода является нейтральным электролитом с достаточно
высокой электропроводностью. В морской воде содержится от 1 до 4%
солей: NaCl, Na2SO4, MgSO4, CaSO4, K2SO4 и большое количество до 8 мг/л
растворимого кислорода. Морская вода обладает высокой депассивирующей
способностью вследствие большого содержание иона Cl-.
Морская коррозия протекает по электрохимическому механизму с O2 –
деполяризацией. В зависимости от внешних факторов скорости коррозии в
морской воде может лимитировать стадией диффузией кислорода к
поверхности металла или стадией ионизации кислорода. В неподвижной
морской воде затруднена стадия диффузии O2 , при быстром движении
морской воды замеленной является стадия ионизации кислорода.
Соленость морской воды и скорости ее движения.
Колебание содержания солей от 1 до 4% незначительно влияют на
скорость диффузии кислорода к корродирующей поверхности, что приводит
к росту скорости коррозии до определенной предела.
Рис.1. Влияние скорости движение морской воды на скорость коррозии
углеродистой стали.
Влияние примесей:
Кремнекислые соединения и CaCO3 дают осадки на металл,
обладающие защитными свойствами. Йод и бром и при малом содержании в
морской воде играть роль деполяризатора наряду с кислородом и ускорять
коррозию.
Коррозия вблизи ватерлинии: Зона вблизи ватерлинии является зоной
периодического смачивания. Коррозия в этой зоне усилена за счет
периодических брызг морской воды, солнца, кислорода и т.д.
Биологически фактор заключается в обрастании подводный части
конструкции различными частями конструкции различными морскими
растительными и животными организмами. Это приводит к ускорению
коррозии металлов в морской воде, вызывая разрушение защитных
покрытий, разрушение защитных покрытий, неравномерную аэрацию и
щелевую коррозию. Кроме того, некоторые организмы в результате
жизнедеятельности выделяют кислород что ускоряют коррозию, т.к.
облегчается протекает контролирующего катодного процесса. В ряде случае,
обрастание микроорганизмами тормозит коррозионный процесс. Например,
обрастание мидиями снижает скорость коррозии, что обусловлено
потреблением кислорода у поверхности корродирующего металла.
Однако, при движении судна, дно которого обросло водорослями,
сопротивления, что снижает скорость движения судна и увеличивает
мощность его двигателей.
Наиболее подвержены обрастанию морскими микроорганизмами
алюминия и его сплавы, все виды сталей, сплавы на никелевой основе, Sn, Pb
и их сплавы. Zn, Mn, т.к. обладают высокой скоростью растворения, могут и
не обрастать. Менее других металлов обрастают Cu и ее сплавов, что
обусловлено токсичностью ионов меди.
Контактная коррозия.
Очень часто в морской воде имеет место контактная коррозия металла.
Контактная коррозия при контакте протекает при соприкосновении
разнородных металлов при соприкосновении, контакт может осуществляться
и на электропроводности морской воды.
Методы защиты от морской коррозии
а. Удаление прокатной окалины со стального листа, из которого
изготавливается корпус судна. Прокатная окалина удаляется химическим
травлением, пескоструйной очисткой.
б. лакокрасочные покрытия на виниловый, фенолформальдегидный,
битумной, каменноугольной основе.
Подводную часть морских судов покрывают дополнительную
красками, в состав этих красок входят вещества, токсичные для морских
организмов – CuO, HgO, и др.
в. Металлические покрытия (цинковые)
d=150 – 250 мкм.
г. Электрохимическая защита – протекторная и от внешнего источника
тока применяется как самостоятельное средство защиты или в комбинации с
защитными покрытиями.
д. наложение ультразвуковыми колебания предохраняет сталь от
обрастания т.о. возможна комбинация катодный и ультразвуковой защиты с
целью замены окраски судов.