Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003
| Вид материала | Учебное пособие |
- Учебное пособие Издательство спбгпу санкт-Петербург, 1380.47kb.
- Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2007, 1378.97kb.
- Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный политехнический, 2776.63kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2011 удк 621. 38. 049. 77(075) Поляков, 643.33kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2004, 1302.72kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2009 удк 802., 485.15kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 1935.03kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 648.91kb.
- Новые поступления в библиотеку балтийского русского института, 158.89kb.
- Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003, 1310.56kb.
8. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ
Физическая химия — наука, объясняющая на основании
положений и опытов физики то, что происходит
в смешанных телах при химических операциях.
М.В. Ломоносов
Нет ничего практичнее хорошей теории
Э.Ж. Сант-Илер
Считается, что гальванотехника вошла в промышленную практику в первой трети XIX в. Но есть основания полагать, что парфянские ювелиры более 2000 лет назад производили гальваническое золочение и серебрение изделий — об этом говорят находки из гробницы египетских фараонов. Вероятно, в Древнем Египте также был известен гальванический способ получения медных покрытий из водных растворов: многие деревянные и глиняные предметы, найденные в Мемфисе и Фивах, покрыты тонким слоем меди.
8.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Изделия из металлов и сплавов под действием различных физико-химических и биологических факторов разрушаются. Такое разрушение (повреждение) металла в результате протекающих на его поверхности химических реакций с составляющими среды получило название коррозии (лат. corrodere — разъедать), а среда, в которой происходит этот процесс, называется коррозионной или агрессивной.
Ржавление — коррозия железа и его сплавов с образованием продуктов коррозии, состоящих в основном из гидратированных оксидов железа. Цветные металлы не ржавеют, а корродируют. Способность металлов сопротивляться коррозионному воздействию внешней среды называют коррозионной стойкостью.
Коррозионные исследования проводятся, во-первых, для сокращения материальных потерь из-за коррозии деталей машин и судов, мостов, трубопроводов и т. д., во-вторых, для повышения надежности оборудования, которое может разрушаться с катастрофическими последствиями и, в-третьих, с целью сохранности металлофонда. На сегодняшний день металлофонд России составляет 1,6 млрд. т и распределяется по отраслям промышленности следующим образом: промышленность — 750 млн. т, транспорт — 400, сельское хозяйство — 150, прочие конструкции — 300 млн. т. При этом 40–50 % машин и сооружений работает в агрессивных средах, 30 % — в слабоагрессивных, и только около 10 % не требует активной антикоррозийной защиты.
Экономический и экологический ущерб, наносимый нашей планете коррозией металлических изделий, оборудования и конструкций, неисчислим. В последние годы, например, только в Соединенных Штатах Америки ежегодные потери от коррозии составили 300 млрд. долл., что соответствует 6 % национального дохода всей страны.
В Российской Федерации ежегодные потери металлов из-за их коррозии составляют до 12 % общей массы металлофонда, что соответствует утрате до 30 % ежегодно производимого металла. В большинстве стран потери от коррозии составляют 4–6 % национального дохода.
Потери в результате коррозии делятся на прямые и косвенные. К прямым потерям можно отнести стоимость замены прокорродировавших конструкций машин или их частей, затраты на перекраску конструкций для предотвращения ржавления, расходы по замене деталей из углеродистой стали коррозионностойкой, стоимость нанесения защитных покрытий и т. д.
Труднее оценить косвенные потери, к которым относятся, например, простои, связанные с заменой поврежденного оборудования, потери мощности, загрязнение и порча продукции. Иногда потери нельзя оценить в стоимостном выражении. К ним относятся аварии, связанные с разрушением химического оборудования, взрывами; катастрофы поездов, автомобилей, самолетов из-за коррозии, приводящие к потере здоровья или гибели людей.
Наибольшие потери от коррозии несут топливно-энергетический комплекс (ТЭК), сельское хозяйство, химия и нефтехимия. Так, потери металла от коррозии составляют: в ТЭК — 30 %, химии и нефтехимии — 20 %, сельском хозяйстве — 15, металлообработке — 5 %.
В настоящее время проблема коррозии усугубляется резким старением основного металлофонда, физическим и моральным износом, недостаточной степенью возобновляемости и реновации (реконструкция, ремонт) (табл. 30).
Таблица 30
Старение и ремонт металлоконструкций
| Конструкции | В эксплуатации | Требуют ремонта или замены |
| Городские мосты, путепроводы, туннели | 22 тыс. ед. | 40% |
| Водопроводные и канализационные сети | 270 тыс. км | > 30% |
| Оборудование котельных и ТЭЦ | | 35% |
| Магистральные: | | |
| - нефтепроводы | 49,6 тыс. км | >> объема |
| - газопроводы | 150 тыс. км | вновь |
| - резервуары | > 40 тыс. ед. | сооружаемых |
| Трубопроводные сети г. Москвы: | | |
| - теплоснабжения | 8 тыс. км | > 50% |
| - газоснабжения | 6 тыс. км | 3% |
Анализ причин отказов и аварий нефтегазовых сооружений свидетельствует о превалирующем влиянии коррозионного фактора. В нефтедобывающей промышленности и транспорте нефти 70 % отказов произошло по причине коррозионных повреждений (табл. 31).
Таблица 31
Статистика отказов оборудования нефтегазовых систем
| Система | Вид отказа | ||||
| Коррозия | Брак строительно-монтажных работ | Брак материалов | Механические повреждения | Нарушение эксплуатации | |
| Нефтеперерабатывающая промышленность и транспорт нефти | 70 | 15 | 2 | 10 | 3 |
| Газопроводы | 36,7 | 10 | 13,3 | 13,9 | 26,1 |
| Внутрипромысловые трубопроводы | 95 | | | | |
Как правило, коррозионные процессы являются электрохимическими и протекают по границе раздела фаз при взаимодействии твердого вещества с газом или жидкостью. Простейшая схема такого процесса состоит из следующих основных стадий:
- транспортировка реагирующих веществ к поверхности раздела фаз;
- химическое взаимодействие;
- отвод продуктов реакции из реакционной зоны.
Скорость коррозии определяется скоростью процессов самой медленной стадии.
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 металла.
Химическая коррозия — это процесс взаимодействия метала с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окислительного компонента среды протекает одновременно в одном акте. Продукты взаимодействия пространственно не разделены.
Электрохимическая коррозия — это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой (раствором электролита), при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте, и их скорости зависят от электродного потенциала.
По виду коррозионной среды и условиям протекания различают несколько видов коррозии:
газовая коррозия — это химическая коррозия металлов в газовой среде при минимальном содержании влаги (как правило, не более 0,1 %) или при высоких температурах. В химической и нефтехимической промышленности такой вид коррозии встречается часто;
атмосферная коррозия — это коррозия металлов в атмосфере воздуха или любого влажного газа;
подземная коррозия — коррозия металлов в почвах и грунтах;
биокоррозия — это коррозия, протекающая под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов;
контактная коррозия — вид коррозии, вызванный контактом металлов, имеющих разные стационарные потенциалы в данном электролите;
радиационная коррозия — это коррозия, обусловленная действием радиоактивного излучения;
коррозия внешним током и коррозия блуждающим током. В первом случае это коррозия металла, возникающая под воздействием тока от внешнего источника, во втором — под воздействием блуждающего тока;
коррозия под напряжением — коррозия, вызванная одновременно воздействием коррозионной среды и механических напряжений. Если присутствует растягивающие напряжения, то может произойти растрескивание металла. Это очень опасный вид коррозии, особенно для конструкций, испытывающих механические нагрузки (осей, рессоров, автоклавов, паровых котлов, турбин и т. д.).
Если металлические изделия подвергаются циклическим растягивающим напряжениям, то возможно образование коррозионной усталости, вызывающее 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 (коррозия лопастей гребных винтов).
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.
По характеру изменения поверхности металла или сплава различают несколько видов коррозионных разрушений (рис. 108).
Коррозия называется сплошной (см. рис. 108,а и б), если она охватывает всю поверхность металла. Сплошная коррозия может быть равномерной (см. рис. 108,а), если процесс протекает с одинаковой скоростью по всей поверхности металла, и неравномерной (см. рис. 108,б), когда скорость процесса неодинакова на различных участках поверхности.
При избирательной коррозии (см. рис. 108,в) разрушается одна структурная составляющая или один компонент сплава.
Рис. 108. Виды коррозии: а — сплошная равномерная; б — сплошная неравномерная; в — структурно-избирательная; г — пятнами; д — язвами; е — точками (питтинговая); ж — подповерхностная; з — межкристаллитная
Местная (локальная) коррозия охватывает отдельные участки поверхности металла (см. рис. 108,г–е). Местная коррозия может быть в виде отдельных пятен, не сильно углубленных в толщу металла (рис. г); язв-разрушений, так называемых раковин, сильно углубленных в толщу металла (см. рис. 108,д); или точек (питтингов), глубоко проникающих в металл (см. рис. 108,г).
Подповерхностная коррозия (см. рис. 108,ж) начинается на поверхности, но затем распространяется в глубь металла. Продукты коррозии оказываются сосредоточенными в полостях металла. Этот вид коррозии вызывает вспучивание и расслоение металлических изделий.
Для межкристаллической коррозии (см. рис. 108,з) характерно разрушение металла по границам зерен. Ее особенность состоит в том, что внешний вид металла не меняется, но он быстро теряет прочность, пластичность и легко разрушается. Связано это с образованием между зернами рыхлых малопрочных продуктов коррозии. Такому 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.