![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
Химсопрмат
.pdf5.2.5. Олово
Стандартный равновесный потенциал олова равен –0,136 В. Оло-
во – серебристо-белый металл, медленно тускнеющий на воздухе.
Оно может существовать в двух модификациях. Обычная металличе-
ская модификация носит название «белое олово», более легкая ме-
таллоидная форма называется «серое олово». Белое олово устойчиво при температуре выше +13 °С, серое олово – при температуре ниже
+13 °С. Аллотропическое превращение белого олова в серое получи-
ло название оловянной чумы. Введение в олово 0,5% Bi или Sb ис-
ключает подобное явление [24].
Олово обладает недостаточно высокими механическими свойст-
вами, способность к пассивации выражена слабо. Оно устойчиво в природных водах, в растворах нейтральных солей, в пищевых средах.
Олово широко применяется для защитных покрытий при изготовле-
нии консервной жести.
Олово устойчиво в разбавленных растворах серной и соляной ки-
слот, в органических кислотах. При повышении концентрации мине-
ральных кислот коррозия олова ускоряется, в азотной кислоте олово разрушается сильно, неустойчиво в щелочах. Олово устойчиво в ат-
мосферных условиях.
Олово как конструкционный материал практического примене-
ния не имеет вследствие высокой себестоимости и невысокой меха-
нической прочности. Олово применяется для получения бронзы и сплавов, обладающих антифрикционными свойствами (оловянные баббиты). В их состав входит до 90% олова. Мягкие легкоплавкие сплавы олова и свинца используются в качестве припоев.
5.2.6. Свинец
Стандартный электродный потенциал свинца равен –0,126 В. Коррозионная стойкость свинца определяется во многом устойчивостью продуктов его коррозии.
259
Свинец – мягкий металл, имеющий невысокую температуру плавления (327,4 °С), низкую теплопроводность и плохие литейные свойства [24].
Вкачестве коррозионно-стойкого материала применяется свинец чистоты не менее 99,2%. Примеси Cu, Sn, As, Fe, Bi увеличивают его прочностные показатели, но уменьшают пластичность. Примеси мышьяка придают свинцу хрупкость. Коррозионная стойкость свинца определяется растворимостью продуктов его коррозии.
Вазотной и уксусной кислотах свинец неустойчив, так как нитраты и ацетаты свинца растворимы. Свинец неустойчив также в щелочах.
Напротив, в серной и фосфорной кислотах свинец отличается высокой коррозионной стойкостью. Это относится и к растворам их солей. Нерастворимые продукты коррозии свинца осаждаются на поверхности и образуют беспористую, прочно связанную с металлом пленку толщиной от тысячи до нескольких тысяч молекулярных слоев. В соляной кислоте свинец стоек до концентрации 10% [7, 24].
Добавки к свинцу 0,03-0,10% Te улучшают его коррозионную стойкость в серной кислоте, как при высоких концентрациях, так и при высоких температурах.
Добавка теллура повышает сопротивление свинца усталости и коррозии, когда сплав эксплуатируется в качестве обкладочного материала и труб.
Свинец находит применение в химической промышленности в виде листового материала для футеровки химических аппаратов, гальванических ванн, кристаллизаторов, для изготовления трубопроводов и газоходов. Он используется также для оболочек кабелей связи, для защиты от рентгеновского облучения, для изготовления аккумуляторов.
Свинец применяется в сернокислотной промышленности как обкладочный материал для небольших емкостей (вакуум-сборники, мерники) и в сопряженных узлах аппаратов для гомогенного свинцевания крышек аппаратов, как конструкционный материал для труб
260
холодильников. Низкий коэффициент теплопроводности не позволяет эффективно использовать свинец в теплообменной аппаратуре, а высокая плотность приводит к утяжелению конструкций. Верхний температурный предел применения свинца составляет 120 °С [4, 7, 24].
Сплав свинца, легированный 6-12% Sb, обладает повышенными механическими и литейными свойствами. Он известен под названием «твердый свинец», или гартблей. Из него изготавливают детали насосов промывных кислот и узлы аппаратов, испытывающих нагрузки.
5.2.7. Цинк
Цинк нашел широкое применение в качестве защитного покры-
тия железных и стальных изделий. Цинк – легкоплавкий (tпл 419 °С),
мягкий и малопрочный металл. Стандартный электродный потенциал цинка равен –0,76 В [24].
Цинк может корродировать как с водородной, так и с кислород-
ной деполяризацией. В кислых средах цинк корродирует с водород-
ной деполяризацией. На скорость коррозии цинка существенно влия-
ют даже незначительные примеси других металлов. Примеси кадмия,
свинца, алюминия не влияют на скорость коррозии. Примеси с низ-
ким перенапряжением водорода, например, железо, медь в концен-
трации 0,002-0,005% увеличивают скорость коррозии цинка в 10 и
более раз. В нейтральных растворах цинк корродирует с кислородной деполяризацией, и имеющиеся в нем технические примеси не влияют на его коррозионную устойчивость. На поверхности металла образу-
ются защитные пленки из гидроксида цинка. В щелочах цинк нестоек.
Цинк обладает максимальной устойчивостью в интервале рН ме-
жду 9 и 11 (рис. 5.10), поэтому применение цинковых покрытий не-
рационально, если рН среды заметно меньше 7 или выше 12, из-за усиления коррозии цинка [24].
В воде цинк устойчив до 55 °С (рис. 5.11). Скорость коррозии резко повышается с увеличением температуры и достигает максиму-
ма при 70 °С, а затем снижается. Наблюдаемые закономерности свя-
261
![](/html/2706/197/html_Mrc5KCpB4Z.S_Vu/htmlconvd-2t1DQi264x1.jpg)
зывают с тем, что при температурах до 50 °С и выше 95 °С на цинке образуется плотная пленка с высокими защитными свойствами. В ин-
тервале температур 55-65 °С наблюдается образование рыхлых про-
дуктов коррозии с низкими защитными свойствами. При температуре
100 °С продукты коррозии уплотняются и происходит уменьшение растворимости кислорода в коррозионной среде [4, 24].
Рис. 5.10. Влияние pH раствора на скорость коррозии цинка
Рис. 5.11. Влияние температуры на скорость коррозии цинка в дистиллированной воде
262
Цинк используется для защиты стали от атмосферной коррозии.
Применяется для получения медных, никелевых, магниевых сплавов,
в производстве аккумуляторов и как протектор при электрохимиче-
ской защите железных сплавов.
5.2.8. Титан и его сплавы
Титан – легкий и тугоплавкий металл (tпл 1725 °С). Он обладает высокой прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. По своему распространению среди конструкционных металлов он нахо-
дится на четвертом месте после алюминия, железа и магния. Стан-
дартный электродный потенциал титана равен –1,63 В [24].
Титан является термодинамически активным металлом. Однако он склонен к пассивации и вследствие этого инертен во многих сре-
дах. Например, в морской воде при 25 °С потенциал титана близок к
+0,09 В, т.е. положительнее, чем у цинка, железа, алюминия и меди в этой среде. Титан устойчив в средах, обладающих окислительными свойствами и содержащих хлорид-ионы. Он устойчив в царской вод-
ке, растворах гипохлорита натрия до 100 °С, хлорной воде. Титан стоек в азотной кислоте любых концентраций вплоть до температуры кипения. Скорость коррозии титана в дымящей азотной кислоте не превышает 0,1 мм/год. Таким образом, титан может применяться для изготовления аппаратов, насосов и коммуникаций.
В растворах соляной кислоты титан корродирует с выделением водорода. Он стоек только в разбавленных растворах HCl при 60 °С
не выше 3,0% HCl, при 100 °С – не выше 0,5% HCl. С увеличением концентрации и повышением температуры соляной кислоты скорость коррозии увеличивается. Снизить скорость растворения титана мож-
но добавлением в раствор окислителей, например K2Cr2O7 , KMnO4 ,
H2O2 , O2 , HNO3 [7, 15, 24].
263
Зависимость скорости растворения титана от концентрации сер-
ной кислоты имеет сложный характер. Отмечаются два максимума скорости растворения – при концентрациях 40 и 75%, что связано с изменением физико-химических свойств и электропроводности.
Сухой газообразный хлор вызывает сильную коррозию титана, так что возникает опасность воспламенения. При наличии в хлоре даже незначительных следов влаги (порядка 0,005%) коррозия титана
вхлоре прекращается [24].
Вразбавленных щелочах, до концентрации 20% NaOH, титан устойчив. В более концентрированных растворах и при нагреве он мед-
ленно реагирует с образованием соли титановой кислоты Na2TiO3 .
Титан обладает высокой коррозионной стойкостью во многих органических средах, в которых стали типа 12Х18Н10Т корродируют. Титан полностью коррозионно-устойчив в морской воде и морской атмосфере.
Более высокие физико-механические и коррозионные свойства титана могут быть достигнуты при его легировании такими металла-
ми, как Al, Mo, Ta, Nb, Zn, Cu и т. д.
Титан и его сплавы применяются в химической промышленности для изготовления аппаратуры, используемой в производстве серной кислоты, хлора и ряда органических продуктов [24].
264
Глава6 НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕКОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ
МАТЕРИАЛЫИИХПРИМЕНЕНИЕ В НЕФТЯНОЙОТРАСЛИ
Неметаллические коррозионно-стойкие материалы широко ис-
пользуются в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и многих других отраслях промышленности, как в качестве конструкционных материалов, так и в качестве защитных покрытий.
Номенклатура неметаллических материалов в настоящее время достаточно велика, и количество их непрерывно возрастает. Класси-
фицировать неметаллические материалы можно по разным призна-
кам, например, материалы неорганического и органического проис-
хождения. В отдельную группу можно вынести композиционные ма-
териалы, матрица и наполнитель которых могут быть из материалов одного и того же или разных классов [23, 34].
Условная классификация неметаллических материалов представ-
лена на рис. 6.1.
Неметаллические материалы неорганического происхождения в основном находят применение в качестве футеровочных материалов.
Плавленые материалы объединяют эмали, силикатное стекло,
плавленый кварц и каменное литье.
Эмаль кислотоупорная представляет собой легкоплавкое стекло
(кварцевый песок с присадками глины, полевого шпата, буры, соды и др.). Эмали подразделяются на грунтовочные и покровные. Эмалевое покрытие получается после обжига при температуре 850-900 ºС.
Толщина эмалевого слоя – 0,6-1,0 мм.
Силикатное стекло используется для изготовления футеровочных плиток и в качестве конструкционного материала для труб, отводов,
тройников, холодильников и т. д.
Из плавленого кварца изготавливают различное лабораторное оборудование.
265
![](/html/2706/197/html_Mrc5KCpB4Z.S_Vu/htmlconvd-2t1DQi268x1.jpg)
Неметаллические коррозионно-стойкие материалы
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Материалы неорга- |
|
Материалы органическо- |
|
Композиционные |
|
||||||||||
нического происхож- |
|
|
|
||||||||||||
|
|
го происхождения |
|
|
материалы |
|
|||||||||
|
дения |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Плавленые |
|
|
Каучуки, резины |
|
|
Фаолиты |
|
|||||||
|
материалы |
|
|
и эбониты |
|
|
Текстолиты |
|
|||||||
|
Керамические |
|
|
|
|
Непластичные |
|
|
|
|
Графитопласты |
|
|||
|
материалы |
|
|
|
материалы |
|
|
|
Стеклопластики |
|
|||||
|
Природные |
|
|
|
|
Пластмассы |
|
|
Углепластики |
|
|||||
|
кислотоупоры |
|
|
|
|
|
Боропластики |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Силикатные |
|
|
|
|
Лакокрасочные |
|
|
Армированные |
|
|||||
|
материалы на |
|
|
|
|
термопласты и |
|
||||||||
|
|
|
материалы |
|
|
|
|||||||||
|
основе вяжущих |
|
|
|
|
|
бипластмассы |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 6.1. Классификация неметаллических материалов
Плавленые материалы объединяют литье диабаза и базальта, которое чаще выпускается в виде плиток для футеровки аппаратов и реже – для изготовления отдельных деталей, таких как трубы, желоба, штуцеры и т. д. Плавленые диабаз и базальт представляют собой горные породы, они химически стойки, непроницаемы для агрессивных сред и выдерживают высокие температуры.
К керамическим материалам относятся фарфор, кислотоупорная керамика и шамотный огнеупорный кирпич [22, 23]. Основное применение эти материалы находят в химической промышленности, а фарфор еще служит материалом для изготовления лабораторного оборудования.
Природные кислотоупоры состоят, главным образом, из оксида кремния и включают гранит, бештаунит, андезит и асбест. В нефтяной промышленности широко используется асбест, который присутствует в набивках и прокладках в качестве наполнителя.
Силикатные материалы на основе вяжущих представляют собой композиции, состоящие из минерального тонко измельченного на-
266
полнителя и собственно вяжущего – жидкого стекла или битума. Эти материалы применяются при защите от коррозии, из них также можно изготавливать кислотостойкие полы и междуэтажные перекрытия.
Номенклатура материалов органического происхождения гораздо шире, и она непрерывно увеличивается. Основное место в ней занимают, конечно же, пластические массы и лакокрасочные материалы
[23].
Натуральный и синтетический каучуки являются сырьем для из-
готовления резины и резинотехнических изделий. Готовые изделия получаются путем вулканизации каучуков в смеси с наполнителями,
пластификаторами, стабилизаторами и вулканизующими агентами, в
качестве которых наибольшее применение нашла сера. В результате процесса вулканизации происходит образование трехмерной струк-
туры макромолекулы. При добавлении 2-4% серы получают мягкие резины, а при введении 30-60% серы – эбониты. В настоящее время также широко используются герметизирующие материалы в виде мастик или паст.
К непластичным материалам относятся дерево, уголь и графит. Достаточно широкое применение в нефтяной промышленности находят материалы на основе графита как антифрикционные.
Пластическими массами называются неметаллические материалы на основе природных или синтетических полимеров, которым путем температурного и силового воздействия можно придать определенную форму, сохраняющуюся после снятия воздействия [23]. Пластмассы при обычных условиях являются твердыми, упругими телами с целым комплексом ценных физико-механических свойств. Для изготовления пластмасс используются как чистые полимеры, так и сополимеры.
Полимеры получают из низкомолекулярных веществ в результате реакций полимеризации и поликонденсации. В зависимости от пове-
дения полимера при нагреве пластмассы разделяются на термопла-
стичные и термореактивные.
267
Термопластичные пластмассы (термопласты) содержат высокомолекулярные полимеры или сополимеры линейной структуры (полиэтилен, полихлорвинил и др.), которые при нагревании переходят в вязкотекучее состояние, а при охлаждении затвердевают. Процесс этот может быть повторен неоднократно.
Термореактивные пластмассы (реактопласты) содержат низкомолекулярные полимеры, отверждающиеся с образованием сетчатой структуры при нагревании или под действием отвердителей. При первичном нагреве реактопласты также переходят в вязкотекучее состояние, но затем отверждаются и переходят в твердое, неплавкое и нерастворимое состояние.
Лакокрасочные материалы являются одними из самых простых защитных материалов, которые предназначены защищать различные конструкции от атмосферных воздействий, агрессивных сред, воды и т. д. Они подразделяются на грунтовки, шпатлевки, краски и лаки
[23].
Композиционные материалы обладают не только высокой химической стойкостью, но и механическими свойствами, сопоставимыми с механическими свойствами металлов. Обычно они представляют собой полимерную матрицу, содержащую тот или иной наполнитель, повышающий механические свойства (фаолиты, текстолиты, армированный полиэтилен). Реактопласты, как правило, содержат армирующий наполнитель в количестве 45-80% масс. Композиционными материалами являются также антегмиты, у которых природная пористость графита устранена пропиткой синтетическими смолами, и графитолит.
6.1. Конструкционные материалы, их свойства и применение
Под конструкционными материалами подразумеваются такие, из которых могут быть созданы законченные конструкции (отдельные емкости, аппараты, трубопроводы), выдерживающие воздействие не только агрессивной среды, но и механических напряжений от экс-
268