10. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

Коррозией называют самопроизвольное окислительновосстановительное разрушение металлов под воздействием окружающей среды.

Потери от коррозии металлов составляют ежегодно до 20 % и складываются из стоимости изготовления металлических конструкций, пришедших в негодность вследствие коррозии, потери металлов и косвенных убытков – ремонта, простоя оборудования, порчи продукции и т. д.

10.1. Виды коррозии

Существует около 15 различных видов коррозии. Наиболее широко распространена химическая и особенно электрохимическая коррозия.

По условиям протекания различают следующие виды коррозии: газовую, атмосферную, жидкостную, подземную и коррозию при одновременном воздействии внешнего тока, механических напряжений, кавитации, трения и т. д.

Газовая коррозия – это коррозия металлов в газах при высоких температурах, например, окисление и обезуглероживание стали при нагревании (сварке).

Скорость газовой коррозии зависит от природы металла, состава сплава, свойств продуктов коррозии, температуры и других факторов.

Скорость газовой коррозии резко повышается с возрастанием температуры. Так, при нагревании железа, стали и чугуна они окисляются с образованием окалины, имеющей сложное строение. Оксид железа (III) Fe2O3 образуется при t = 100 °С, а Fe3O4 − при t = 400–575 °С. У этих оксидов кристаллические решетки сложного строения, диффузия кислорода в них затруднена. При более высокой температуре образуется оксид железа (II) FeO, имеющий неоднородную структуру и не обладающий защитными свойствами. Поэтому применять углеродистые стали можно только до 575 °С.

Атмосферная коррозия – это коррозия металлов в атмосфере влажного газа, например, корродирование металлических конструкций на воздухе.

Жидкостная коррозия – это коррозия металлов в жидкой среде – электролите (кислотная, солевая, морская коррозия и др.) или в неэлектролите (бром, органический растворитель, жидкое топливо).

Подземная коррозия – это ржавление подземных трубопроводов.

По характеру коррозионного разрушения различают сплошную,

структурно-избирательную и местную коррозии.

Сплошной называется коррозия, охватывающая всю поверхность металла. Такая коррозия может быть равномерной и неравномерной. Примером равномерной коррозии является растворение металлов в кислотах или щелочах.

При структурно-избирательной коррозии происходит преимущественное разрушение одной из структур сплава, например, в стали или чугуне.

10.КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

10.1.Виды коррозии

При местной, или локальной, коррозии на поверхности металла обнаруживают поражения в виде пятен, несильно углубленных в толщу металла (коррозия латуни в морской воде), язв – поражений, сильно углубленных в толщу металла (коррозия стали в грунте), точек (питтингов), иногда почти незаметных, но глубоко проникающих в металл (коррозия стали в морской воде). Коррозия в виде язв и точек очень опасна, т. к. при небольших потерях металла изделие может выйти из строя. Это особенно опасно для конструкций, где важно поддерживать герметичность (трубопроводы, реакторы и аппараты химических заводов, обшивка судов).

10.1.1. Химическаякоррозия

Химическая коррозия – взаимодействие металла с окружающей средой без возникновения в системе электрического тока. Примерами химической коррозии являются: окисление металлов кислородом воздуха или продуктами горения топлива; окисление металлов под действием агрессивных газов (хлора, диоксида серы и др.), а также жидких неэлектролитов (нефти, бензина и др.). Химической коррозии обычно подвергаются химически чистые металлы, без примесей других металлов, например

2Zn + O2↑ → 2ZnO 2Fe + 3Cl2↑ → 2FeCl3

Причиной химической коррозии металлов является их термодинамическая неустойчивость в различных средах при определенных внешних условиях, т. е. возможность самопроизвольного перехода металлов в более устойчивое окисленное (ионное) состояние с соответствующим уменьшением энергии Гиббса системы ( G < 0).

Тормозить химическую коррозию могут только пленки, обладающие защитными свойствами – сплошные, непористые, твердые, с высокой адгезией (прилипанием) к металлу, с коэффициентом термического расширения, близким к коэффициенту для данного металла, обладающие твердостью, износостойкостью.

Если же пленка рыхлая и гигроскопичная, например, оксидная пленка на железе, она не только не защищает металл от дальнейшего разрушения, а наоборот, способствует увеличению скорости его коррозии. В обычных условиях покрыты защитной пленкой алюминий, титан, хром, тантал, никель, свинец, олово, бериллий, цинк.

Коррозия металлов в растворах неэлектролитов протекает с меньшей скоростью, чем в растворах электролитов, но при этом происходит значительное разрушение металлических конструкций, особенно при нагревании. При коррозии нефтью процесс ускоряется содержащимися в нефти соединениями серы – сероводородом, меркаптанами с образованием сульфидов и меркаптидов.

10.КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

10.1.Виды коррозии

Сталь может корродировать при соприкосновении с бензинами, т. к. углеводороды бензинов под действием кислорода воздуха окисляются с образованием органических кислот. Жидкий бром и расплавленная сера весьма активны и разрушают многие металлы. Попадание в неэлектролиты воды часто значительно активирует коррозию в неэлектролитах вследствие протекания электрохимической коррозии металла.

10.1.2. Электрохимическаякоррозия

Электрохимическая коррозия – разрушение металла в среде электролита с возникновением в системе электрического тока за счет образования микрогальванопар. Электрохимической коррозии подвергаются так называемые технические металлы, в состав которых входит несколько разных металлов. Этот тип коррозии наиболее распространен и имеет место при контакте металлических изделий с жидкими электролитами – водой, растворами и расплавами солей, кислот и щелочей.

Примерами электрохимической коррозии являются появление ржавчины на металлических изделиях и конструкциях во влажной атмосфере (на станках, мостах, каркасах, транспортных средствах), коррозия обшивки судов в морской воде, трубопроводов в земляном грунте, коррозия аппаратов на химических заводах и т. д.

Процессы электрохимической коррозии металлов напоминают процессы, протекающие при работе гальванического элемента, в котором отрицательный электрод (более активный металл – анод), например цинк, растворяется, когда он соединен с другим электродом (менее активный металл – катод), на котором восстанавливаются ионы водорода или кислород из воды в зависимости от среды (кислой, щелочной или нейтральной). Поэтому электрохимическую коррозию можно рассматривать как результат разрушительной работы большого числа образующихся микрогальванических элементов на корродирующейся поверхности металла, соприкасающегося с электролитом.

Причины возникновения катодных и анодных участков на металлах разнообразны и связаны с микро- и макровключениями, наличием примесей на поверхности металла, микро- и макропорами, неоднородностью сплавов, неоднородностью поверхности металла, наличием продуктов коррозии, различием в концентрации солей, ионов и растворенного кислорода на разных участках поверхности и т. д.

Электрохимическая коррозия металлов состоит из двух основных процессов анодного и катодного.

Анодный процесс – растворение, т. е. разрушение, более активного металла и образование некомпенсированных электронов на анодных участках металлической конструкции:

10.КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

10.1.Виды коррозии

(–)А Ме0 → Меn+ + nē.

в раствор

Катодный процесс протекает на менее активном металле и состоит в восстановлении ионов и молекул среды (кислой, щелочной или нейтральной), в которой находится металл.

Вкислой среде происходит восстановление ионов водорода и коррозия

сводородной деполяризацией:

(+)К 2Н+ + 2ē = Н2 ↑

В щелочной и нейтральной средах на катоде восстанавливается кислород, растворенный в воде, и идет коррозия с кислородной деполяризацией:

(+)К О2 + 2Н2О + 4ē = 4ОН−

Металл катода при этом не разрушается.

Например, рассмотрим коррозию металлической конструкции, состоящей из двух металлов – железа и меди, в разных средах:

Металлическая конструкция: Fe и Cu

В кислой среде (H2SO4) В щелочной или нейтральной − образуются микрогальванопары: образуются микрогальванопары:

активно, чем медь, и поэтому в данной металлической конструкции железо является анодом (–) А и будет разрушаться (корродировать), а медь – катодом (+) К. Медь разрушаться не будет, на ней происходит восстановление ионов окружающей среды, а именно:

В кислой среде будут протекать следующие процессы:

Fe2+ + SO 24− = FeSO4 4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 = 2Fe2(SO4)3 + 2H2O