Методы и средства защиты от коррозии

 

2 Защита металлов от электрохимической коррозии

2.1 Методы снижения агрессивности коррозионных процессов

 

На выбор метода защиты от электрохимической коррозии  оказывает влияние состав и кислотность электролитов. По этому признаку в качестве защитного мероприятия могут быть применены различные способы.

Для защиты металлических  конструкций от коррозии в нейтральных аэрируемых средах (процессы электрохимической коррозии с кислородной деполяризацией) используются следующие приемы:

1) Применение устойчивых металлов и сплавов

а) с повышенной термодинамической  устойчивостью, например медь и сплавы на ее основе (латуни и бронзы), являющиеся достаточно устойчивыми в морской воде (j⁰_Cu= + 0,35 B);

б) склонные к пассивированию: алюминий (j⁰_Al= -1,67 B), титан (j⁰_Ti = -1,63B), никель(j⁰_Ni = -0,25 B);

в) покрывающиеся защитными  пленками вторичных, труднорастворимых  продуктов коррозии (Zn в H₂O, Pb в сульфатных растворах).

2) Удаление из электролита деполяризатора-кислорода (деаэрация электролита, обескислороживание). Деаэрируют воду, использующуюся для охлаждения паровых котлов, турбин, систем охлаждения металлургических агрегатов, термических печей и т.д.

3) Введение в электролит различных добавок, замедляющих течение коррозии.

Причина торможения коррозионного  процесса в этом случае – торможение анодного процесса за счет введения в электролит веществ – пассиваторов (K₂CrO₄, NaNО₂ и др.)

4) Создание на поверхности металлических материалов защитных покрытий:

-металлические (Zn-,Cd-,Ni-,Pb - покрытия на поверхности стальных изделий);

По способу защитного  действия металлические покрытия делятся  на катодные и анодные.

Катодные покрытия из Pb,Cu,Ni созданные на поверхности стальных изделий защищают последние чисто механически, т.к. величина их электродного потенциала (j_п) больше, чем у стали (j_п > j_Fe ). Поэтому главное, предъявляемое к ним требование - их беспористость.

Анодные покрытия из Zn ,Cd , ввиду того, что j_п < j_Fe, защищают изделие не только механически, но главным образом электрохимически, участвуя в анодном процессе вместо защищаемого стального изделия.

Основной метод создания металлических покрытий – гальванический. В последние годы широкое распространение получают методы напыления – плазменное, газофазное, термодиффузионное и др.

- неметаллические (неорганические);

К неметаллическим неорганическим покрытиям относятся оксидные и  фосфатные.

-органические (лакокрасочные, асфальто-битумные, полиэтиленовые и другие покрытия).

 

Для защиты металлических  материалов от коррозии в растворах кислот используется ряд следующих способов.

1) Применение кислотостойких металлов и сплавов.

-термодинамически устойчивые  металлы, например платина и  медь в растворах H₂SO₄ и HCl;

-пассивирующиеся сплавы - сплавы на железо-никелевой основе, например сплав 04ХН40МДТЮ. Этот сплав предназначен для работы при больших нагрузках в растворах H₂SO₄. Для работы в растворах H₂SO₄ ,HCl ,H₃PO₄ применяется никелевый сплав Н70МФ. Сплавы на основе системы никель-молибден имеют высокое сопротивление коррозии в растворах HNO₃. Наибольшее распространение получил сплав ХН65МВ для работы при повышенных температурах во влажном хлоре, растворах H₂SO₄ и HCl, смесях кислот и других агрессивных средах. Углеродистые и низколегированные стали обладают достаточной устойчивостью в 50-60% (масс.) растворе HNO₃, а хромистые – в растворах HNO₃ с широким интервалом концентраций.

-сплавы, образующие труднорастворимые  пленки продуктов коррозии;

К этой группе сплавов относят сплавы системы железо-кремний, обладающие коррозионной стойкостью в растворах HNO₃,H₂SO₄,HCl,H₃PO₄, а также железо-углеродистые сплавы (стали) в концентрированной серной кислоте.

-металлические материалы, особо  чистые по катодным примесям;

Чистые железо, цинк, алюминий весьма устойчивы в слабокислых растворах.

2) Введение в растворы кислот добавок, тормозящих процесс коррозии.

К замедлителям коррозии металлических  материалов относятся так называемые травильные присадки. Катионы As³⁺, Bi³⁺, образующиеся при растворении присадок восстанавливаются на катодных участках поверхности корродирующего материала и замедляют процесс восстановления ионов водорода, обладая высоким перенапряжением водорода.

3) Нанесение на поверхность металлических материалов кислотостойких защитных покрытий.

-металлические защитные покрытия;

С целью предотвращения коррозии углеродистых сталей  в растворах HCl и HNO₃ последние могут подвергаться термосилицированию. Для повышения устойчивости углеродистых сталей в серной кислоте используется свинцевание поверхности.

-создание плакирующего слоя;

Плакирование – механотермический  метод получения защитного металлического покрытия. Оно образуется в результате совместной прокатки, горячей прессовки, нагрева под давлением двух слоев металлических материалов, один из которых играет роль покрытия. Толщина покрытия обычно составляет 10-20% от толщины основного (защищаемого) металла.

-неметаллические органические  покрытия;

Чаще других используются фенол-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, а также асфальто-битумные покрытия. Особую ценность имеют кремнийорганические смолы – органические соединения, в цепях которых кислород частично замещен кремнием. Смешивая их с оксидами титана, можно получать покрытия, стойкие к нагреву до 600⁰С.

4) Применение устойчивых неорганических материалов

-стекло и эмали;

Эмали – стекловидные покрытия. Кислотостойкие эмали изготавливают  с высоким содержанием SiO₂, а кислото-щелочестойкие в своем составе имеют диоксид циркония. Эмали получают сплавлением шихты (песок, мел, глина и пр.) и плавней (бура, сода фтористые соли). Их высокая химическая стойкость обусловлена присутствием буры и кремнезема. Эмалевые покрытия получают погружением в расплав или пульверизацией с последующим обжигом до спекания в печи при температуре 880-1050 ⁰С.

-керамика;

керамика – неорганический материал, получаемый обжигом глинистых  материалов, состоящих из небольших кристаллов гидратированных алюмосиликатов. Из керамики изготавливают кислотостойкие изделия (плиты, кирпич).

-графит и графитовые  материалы; 

Эти материалы вследствие их универсальной химической стойкости  используются в противокоррозионной  технике как футеровочные изделия (плитки, пластины блоки).

-каменное литье и  ситаллы;

Каменное литье (КЛ) –  материал, получаемый кристаллизацией  из расплава, основой которого является диабаз, базальт, андезит. Изделия из КЛ: плитки, фасонные детали, трубы.

Ситаллы – неметаллический неорганический стеклокристаллический материал, получаемый кристаллизацией стекломассы при наличии в ней нуклеаторов (центров кристаллизации). Из ситаллов изготавливают листы (футеровочный материал, трубы, фасонные изделия).

Изделия из КЛ и ситаллов обладают высокой кислотостойкостью при температурах не более 100⁰С.

2.2 Общие принципы электрохимической защиты

 

К электрохимическим  методам борьбы с коррозией относятся  такие, в основе которых лежит  принцип непосредственного воздействия  на скорость протекания сопряженных катодных и анодных электродных реакций.

В этом качестве чаще используется способ анодной защиты, базирующийся на переводе металлического материала  в пассивное состояние.

Эффект электрохимических  методов прежде всего выражается в изменении потенциала защищаемого металла.

Изменение потенциала может  быть вызвано катодной или анодной  поляризацией, а также введением  ингибиторов в среду. По этому  признаку ингибиторы коррозии, вводимые в агрессивные растворы, можно  классифицировать как электрохимический метод защиты. Однако обычно ингибиторы выделяют в особую группу методов, а к электрохимическим способам борьбы с коррозией относят катодную и анодную защиту.

Наиболее широко применяют  метод катодной защиты, который основан  на замедлении анодной реакции при смещении потенциала в отрицательную сторону. Фактически при катодной поляризации (катодной защите) металл становится более устойчивым благодаря достижению потенциала, соответствующего термодинамически рассчитанному значению потенциала равновесия между металлом и ионами металла в растворе.

Метод анодной защиты основан на явлении анодной пассивации металлов, когда в результате анодной  поляризации металла возникает  пассивное состояние, характеризующееся  гораздо меньшей скоростью растворения, чем в условиях самопроизвольной коррозии. Анодная защита находит основное применение для защиты химического оборудования. 

К электрохимическим  методам борьбы с коррозией можно  отнести и защиту от разрушения конструкций  блуждающими токами - электродренаж. Блуждающие токи возникают вследствие утечки из электрических цепей части тока в почву или водные растворы, где они попадают на металлические конструкции. В местах выхода тока из этих конструкций вновь в почву или воду возникает анодное растворение металла или, как принято обычно говорить, коррозия под действием блуждающих токов. Такие зоны разрушения металлов под действием блуждающих токов особенно часто наблюдаются в районах наземного электрического транспорта (трамвайные линии, железнодорожный транспорт на электрической тяге). Одним из способов устранения такой коррозии является соединение металлическим проводником участка конструкции, с которого стекает блуждающий ток, с рельсом. При большом расстоянии между участками, когда электродренаж, описанный выше, трудно реализовать, то рядом с конструкцией закапывают дополнительный чугунный анод, который присоединяют металлическим проводником. В этом случае под действием блуждающего тока растворяется именно анод, и коррозия основной конструкции в зоне напряжения будет полностью прекращена. При осуществлении электродренажа важно правильно определить анодные зоны, при ошибочном соединении вместо них катодных зон коррозия подземного сооружения резко возрастет.

2.3 Катодная защита

 

Катодная защита - наиболее распространенный вид электрохимической защиты. Ее используют для борьбы с коррозией таких металлов, как сталь, медь, латунь, алюминий, в условиях несильно агрессивных сред. Она эффективна для предотвращения коррозионного растрескивания, межкристаллитной коррозии, обесцинкования латуней, питтинга сталей в почвах и морской воде. Наибольшее применение катодная защита получила для борьбы с коррозией подземных сооружений (трубопроводов, газопроводов, кабельных установок), металлических конструкций в морской и речной воде.

Основная идея метода основывается на явлении катодной поляризации: защищаемое металлическое изделие (например, подземный продуктопровод) с помощью внешнего источника тока (катодной станции-выпрямителя) заполяризовывается до потенциала анода, т.е. до величины j^о_Ме. В этом случае оба электрода – анод (металл) и катод (О₂ или Н⁺) достигают одного и того же значения электродного потенциала и коррозия становится термодинамически невероятной. Если металл заполяризовать немного выше потенциала анода, то скорость коррозии также будет равна нулю, но большой ток может вызвать нарушение защитного асфальто-битумного покрытия, поэтому на практике силу тока поддерживают на оптимальном уровне.

Катодную поляризацию  можно осуществлять путем присоединения  защищаемой конструкции к отрицательному полюсу внешнего источника тока или к металлу, имеющему более электроотрицательный электродный потенциал. В последнем случае нет надобности во внешнем источнике тока, так как образуется гальванический элемент с тем же направлением тока, т. е. защищаемая деталь становится катодом, а более электроотрицательный металл, называемый протектором, - анодом.

2.3.1 Катодная защита внешним током

 

Схема катодной защиты представлена на рисунке 1. Отрицательный полюс внешнего источника тока 4 присоединен к защищаемой металлической конструкции 1, а положительный полюс - к вспомогательному электроду 2, работающему как анод. В процессе защиты анод активно разрушается и подлежит периодическому восстановлению.

 

Рисунок 1 – Схема катодной защиты внешним током

 

В качестве материала  анода применяют чугун, сталь, уголь, графит, металлический лом (старые трубы, рельсы и др.). Так как эффективное  сопротивление прохождению электрического тока оказывает только тот слой почвы, который находится в непосредственной близости от анода, то его обычно помещают в так называемую засыпку 3 - толстый слой кокса, в который добавляют 3-4 части (по массе) гипса и 1 часть поваренной соли. Засыпка имеет высокую электропроводность, благодаря чему снижается переходное сопротивление почва-анод.

Для защиты сооружений в  воде аноды устанавливают на дне  рек, озер, морей. В этом случае засыпка  не требуется.

 

 

1-котел; 2-источник тока; 3-анод

Рисунок 2 – Схема катодной защиты плавильного котла

 

Катодную защиту заводской  аппаратуры (холодильников, теплообменников, конденсаторов и др.), подвергающейся воздействию агрессивной среды, осуществляют путем подсоединения к отрицательному полюсу внешнего источника тока и погружения анода в эту среду (рис. 2).