Лекция 7. Методы защиты металлов от коррозии

Защитные мероприятия начинают на стадиях проектирования и производства изделий и продолжают в процессе их эксплуатации.

Способы защиты металлов от коррозии делятся на следующие группы:

I. Способы, основанные на изменении химических, физико-химических или электрохимических свойств металлов. К ним относятся:

1. Легирование металлов.

2. Изоляция металлов путем нанесения защитных покрытий.

3. Электрохимическая защита.

II. Способы, основанные на изменении свойств агрессивной среды.

Рассмотрим все эти способы защиты металлов подробнее.

1. Легирование металлов. Это введение в металл добавок других металлов, которые повышают его коррозионную устойчивость и увеличивают прочность защитных пленок. При добавлении к железу Cr, Mo, Ni, Mn, W, Al в качестве легирующих добавок получают нержавеющие стали. Такие стали не покрываются ржавчиной, а их поверхностная коррозия протекает с малой скоростью.

При изменении концентрации легирующих добавок коррозионная стойкость металлов меняется скачкообразно. Так, резкое повышение коррозионной устойчивости железа наблюдается при введении легирующей добавки в количестве 1/8 атомной доли, то есть один атом легирующей добавки приходится на восемь атомов железа. Считается, что при таком соотношении атомов происходит их упорядоченное расположение в металлической решетке, что затрудняет коррозию.

Особенности легирования железа различными металлами:

Хром. Обладает высокой склонностью к пассивации в средах с различными значениями рН. Устойчив к питтинговой коррозии. Пассивность хрома обусловлена образованием на его поверхности слоя оксида Cr₂O₃.

Никель. Основным недостатком хромистых сталей является их высокая склонность к хрупкому разрушению. Для преодоления этого недостатка хромистые стали легируют никелем, который придает им прочность и пластичность. Основным недостатком хромоникелевых сталей является их низкая устойчивость к коррозионному растрескиванию.

Молибден. Его вводят в хромоникелевые нержавеющие стали для повышения их коррозионной стойкости. Молибден улучшает пассивируемость сталей в неокислительных средах и снижает их склонность к питтинговой и щелевой коррозии.

Вольфрам. Основным недостатком хромникельмолибденовых сталей является их низкая стойкость в окислительных средах. Для преодоления этого недостатка их дополнительно легируют вольфрамом.

Медь. Легирование сталей медью повышает их коррозионную устойчивость в растворах минеральных кислот.

Для защиты от сероводородной коррозии эффективно легирование металлов хромом, алюминием, молибденом и кремнием.

Существует способ повышения устойчивости металла, основанный не на введении легирующих добавок, а наоборот, на удалении из него примесей, усиливающих коррозию.

2. Защитные покрытия. Они изолируют металлическую поверхность изделий, в т.ч. нефте-, газотрубопроводов, от агрессивной среды и делятся на металлические, неметаллические и химические.

Для защиты от ЭХК применяют металлические покрытия, которые делятся на анодные и катодные. Для получения анодного покрытия на защищаемый металл наносят слой более активного металла. Например, железо покрывают цинком, в этой паре цинк – анод, а железо – катод. Если цинковое покрытие не повреждено, то железо корродировать не может. При повреждении покрытия в среде электролита возникает МГЭ и начинается ЭХК. При этом будет разрушаться анод, т.е. само покрытие, но не защищаемый металл. Поэтому анодные покрытия применяются в случае большой вероятности их повреждения.

Катодные покрытия делают из металла, менее активного, чем защищаемый металл. Например, для катодного покрытия железа используют олово. При повреждении катодного покрытия в токопроводящей среде возникает МГЭ, в котором олово будет катодом, а железо – анодом, которое и будет подвергаться коррозии. Поэтому катодные покрытия применяются при небольшой вероятности их повреждения (например, для внутреннего покрытия консервных банок или для покрытия церковных куполов).

 

 

 

 

В нейтральной и щелочной средах ЭХК протекает аналогично с участием О₂ в роли деполяризатора (K: O₂ + 2H₂O + 4e → 4OH^-).

Металлические покрытия применяют также для защиты металлов от ХК. Такие покрытия часто изготавливают из достаточно активного металла, который в условиях эксплуатации защищаемого изделия имеет повышенную коррозионную стойкость. Примеры: горячее алюминирование, оцинкование, хромирование.

Неметаллические покрытия бывают органические и неорганические. К органическим относятся лаки, краски, битумы, полимеры, резины. К неорганическим относятся покрытия из эмалей и бетонов. Лаки и краски наиболее эффективны в условиях атмосферной коррозии. Для защиты подземных сооружений и конструкций они, как правило, непригодны вследствие неизбежного их повреждения при контакте с грунтом.

Химические покрытия – это коррозионно стойкие неметаллические пленки, которые получают химической обработкой поверхности металла различными окислителями. Эти покрытия делятся на оксидные, фосфатные, хроматные, нитридные и др. Например, оксидные пленки получают взаимодействием поверхности металла с атомарным кислородом при высокой температуре или методом электролиза (анодированием).

Защитные покрытия образуются также в случае ингибиторной защиты. Она заключается в нанесении на поверхность металла ингибиторов, замедляющих скорость коррозии. Неорганические ингибиторы (Na₂CrO₄, NaNO₂, Na₂SiO₃) при взаимодействии с металлами образуют на их поверхности труднорастворимые защитные пленки. Органические ингибиторы (ароматические амины и спирты, многоатомные фенолы, тиомочевина, уротропин) образуют защитный слой в результате их химической адсорбции поверхностью металла.

К ингибиторным способам можно отнести обработку ядохимикатами почвы, контактирующей с трубопроводом. Этот прием снижает интенсивность жизнедеятельносги микроорганизмов и используется для защиты от биокоррозии.

Основные требования к изоляционным покрытиям, применяемые на трубопроводах:

а) высокие диэлектрические свойства;

б) высокая степень сплошности защитных пленок;

в) хорошая адгезия (прилипаемость) к металлу трубопровода;

г) водонепроницаемость;

д) высокая механическая прочность и эластичность;

е) высокая биостойкость;

ж) термостойкость: покрытие не должно размягчаться под воздействием высоких температур и не становиться хрупким при низких температурах.

Для противокоррозионной защиты подземных трубопроводов используют покрытия на основе полимерных материалов – полиэтилена, полипропилена, полиуретанов, термоусаживающихся и термореактивных полимеров, эпоксидных красок, полимерных липких лент, битумных и асфальтосмолистых мастик. Они могут наноситься как при изготовлении труб, так и при их эксплуатации.

На участках со сложными почвенно-климатическими условиями, и особенно на подводных переходах, где трубы нередко укладываются методом протаскивания, к изоляционным покрытиям предъявляются особо высокие требования: значительная механическая прочность, низкая степень истираемости, высокая адгезия к металлу, химическая стойкость, долговечность. В этих условиях используют антикоррозионные покрытия из полиуретанов. Полиуретаны обладают высокими изолирующими свойствами, значительной твердостью, эластичностью, чрезвычайно высоким сопротивлением истиранию, царапанию и биоповреждениям. Они стойки к воде, растворам солей и обладают хорошей адгезией к металлам.