Коррозия / corrosion_2003 Коррозия и защита металлов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ДОНБАССКИЙ ГОРНО-МЕТАЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Н.К. КОФАНОВА

КОРРОЗИЯ И ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ДЛЯ СТУДЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ

Рекомендовано Министерством образования и науки Украины

АЛЧЕВСК, 2003

www.7knig.net

4

5

6

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность коррозионной проблемы определяется тремя ос- новными аспектами:

1)повышением надежности различных объектов (оборудования АЭС, самолетов, систем захоронения радиоактивных отходов, кон- тейнеров для токсичных материалов и др.) в целях предотвращения катастроф и аварий, которые часто сопровождаются человеческими жертвами и загрязнениями окружающей среды;

2)сохранностью мировых ресурсов металлов (металлического фонда), обусловленной ограниченностью их запасов;

3)экономическим, имеющим целью уменьшение материальных потерь в результате коррозии различных машин, резервуаров, трубо- проводов, мостов и др. Зачастую косвенные убытки от коррозии во много раз превышают потери за счет растворения металла. Например,

замена котла или конденсатора на ТЭЦ наносит существенный ущерб всей энергосистеме, а стоимость потерянного продукта (газа, нефти и др.) из системы с прокорродированными трубами, составляет иногда значительные убытки для соответствующих отраслей промышленно- сти.

Из 87 металлов Периодической системы Д.И.Менделеева – на сегодня 52 вовлечены в среду человеческой деятельности. Не менее 20 из них токсичны и таят серьезную опасность для живых организ- мов. Примерная оценка загрязнения окружающей среды токсичными металлами приведена в таблице 1.1.

Очевидно, что загрязнение среды, нарушающее экологическое равновесие, вызывает интенсификацию процессов коррозии и появление видов коррозионных разрушений, не характерных для среды с нормаль-

7

ным экологическим равновесием. Образуются взаимосвязанные цепоч-

ки процессов такого плана: деятельность человека → нарушение эколо-

гического равновесия → интенсивная коррозия машин и оборудования

→ выбросы газа, нефти, пыли, → интенсивная коррозия.

Таблица 1.1 – Оценка загрязнения окружающей среды токсичными

металлами

Результаты экономических исследований показали, что переход на новые технологии, особенно в добывающих отраслях, приведет к резкому росту ущерба от коррозии. Также внедрение новых техноло- гий прямо связано с решением проблемы защиты от коррозии.

8

1 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

Без металлов немыслим современный материальный уровень земной цивилизации. Металлы и их сплавы являются наиболее важ- ными конструкционными материалами. Всюду, где эксплуатируются металлические конструкции есть вещества, которые, взаимодействуя с металлами, постепенно их разрушают: ржавление металлических кон- струкций (железных кровель, зданий, стальных мостов, станков и оборудования цехов) в атмосфере; ржавление наружной металличе- ской обшивки судов в морской и речной воде; разрушение металличе- ских баков и аппаратов растворами кислот, солей и щелочей на хими- ческих и других заводах; ржавление стальных трубопроводов в земле; окисление металлов при их нагревании и т.п. У большинства металлов

в условиях их эксплуатации более устойчивым является окисленное (ионное) состояние, в которое они переходят в результате коррозии. Слово «коррозия» происходит от латинского «corrodere», что означает «разъедать».

Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. Под метал-

лами подразумеваются простые металлы и их сплавы, а также метал- лические изделия и конструкции. Средой, в которой происходит кор- розия металлов, обычно бывают различные жидкости и газы.

Коррозия является самопроизвольным процессом разрушения металлов в отличии от не называемого коррозией преднамеренного разрушения металлов при их растворении в кислотах (с целью полу- чения солей), в гальванических элементах (с целью получения посто-

9

янного электрического тока), при анодном растворении в электроли- зерах (с целью последующего катодного осаждения металла из рас- твора) и т.д.

Коррозионный процесс протекает на границе двух фаз: металл- окружающая среда, т.е. является гетерогенным процессом взаимо- действия жидкой или газообразной среды (или их окислительных компонентов) с металлом. Коррозия металлов имеет место в большей или меньшей степени всюду, где обрабатываются металлы или экс- плуатируются металлические изделия и конструкции.

Коррозия металлов – процесс самопроизвольный, всегда нега- тивный с точки зрения промышленной практики. Потери от коррозии складываются из стоимости изготовления металлических конструк- ций, пришедших в негодность вследствие коррозии, из безвозвратных потерь в виде продуктов коррозии и из косвенных убытков.

Прямые затраты включают стоимость капитального и текущего ремонта машин, оборудования и коммуникаций, преждевременно вы- шедших из строя в результате коррозии, а также дополнительные и эксплуатационные расходы на защиту от коррозии.

К косвенным затратам – относят экономические потери из-за простоя оборудования, снижения качества продукции по причине коррозии и стоимостную оценку аварийных происшествий. Косвен- ные затраты могут превышать прямые в несколько раз, особенно в химической и нефтехимической отраслях, в производстве цветных металлов и т.д.

Резкий рост потерь в последние годы из-за коррозии металлов обусловлен следующими обстоятельствами:

1) Постоянно растет производство металлов, человечество вы- плавило не менее 35 млрд.т. сплавов железа, а мировой фонд в на-

10

стоящее время составляет около 10 млрд.т., очевидно, что значитель- ную часть этой разницы поглотила коррозия (какая-то часть рассеяна

вбиосфере).

2)Существенно изменилась структура использования металла: возросла металлоемкость таких отраслей, как металлургия, химиче- ская, целлюлозно-бумажная, где металлоконструкции эксплуатируют- ся в средах повышенной агрессивности. Это привело не только к не- пропорциональному увеличению коррозионных потерь, но и к изме- нению характера коррозионых повреждений.

3)Возросла агрессивность атмосферы и естественных вод из-за промышленных выбросов.

4)Не дооценивается важность проблемы защиты от коррозии, на стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации машин и аппаратов.

Экономические потери от коррозии в промышленно развитых странах достигают 3-5% национального дохода. По некоторым дан- ным коррозия ежегодно «съедает» до 20% выплавляемого в мире ме- талла.

Задачи и научные основы курса.

Наука о коррозии и защите металлов изучает взаимодействие металлов с коррозионной средой, устанавливает механизм этого взаи- модействия и его общие закономерности.

Коррозия является процессом химического или электрохимиче- ского взаимодействия металлов с коррозионной средой. Для установ-

ления механизма и общих закономерностей этого взаимодействия и разработки методов борьбы с ним необходимо знание свойств метал- лов и коррозионных сред, а также основных закономерностей химиче-

11

ских и электрохимических процессов. Поэтому научной базой для учения о коррозии и защите металлов являются металловедение и фи- зическая химия, в первую очередь такие ее разделы, как термодина- мика и кинетика гетерогенных химических и электрохимических про- цессов.

Для инженера-металлурга необходимость разбираться в осно- вах учения о коррозии и защите металлов связано со следующими об- стоятельствами:

1)Устойчивость к коррозии формируется при производстве и обработке металлов и сплавов (состав, характеристика и количество примесей, структура, состояние поверхности).

2)Все процессы обработки металлов при высоких температурах (прокатка, ковка, штамповка, термообработка) сопровождаются окис- лением поверхности.

3)Оборудование металлургических заводов подвергается уси- ленному коррозионному разрушению (металлургическая арматура на- гревательных печей, системы охлаждения домен и мартенов, шейки валков, блюмингов и т.д.).

Основные причины коррозии металлов.

Как указывалось, коррозией называется самопроизвольное раз- рушение металлов и сплавов (и прочих материалов-бетоны, цементы) вследствие физико-химического взаимодействия с окружающей сре- дой. Среда, в которой происходит разрушение металлов, называется коррозионной. Химические соединения, образующиеся в результате коррозии, называются продуктами коррозии. Способность металлов

сопротивляться коррозии воздушной среды называется коррозионной стойкостью.

12