Электрохимическая коррозия металлов – одна из насущных проблем человечества с того момента, как в производстве различных, необходимых человеку предметов, стали использоваться изделия из металла. Проблема защиты металлов от коррозии всегда стояла остро, потому что под действием разрушительных процессов окисления предметы теряли функциональность, деформировались и приходили в негодность, и нужно было искать способы их защиты.
Когда химия выделилась в отдельную науку, а использование металлов стало приобретать широкое промышленное значение, человечество начало исследовать эти процессы и искать способы борьбы с разрушениями от внешних воздействий.
Что такое коррозия
Процесс разрушения верхнего слоя металлического материала под влиянием внешних воздействий называется коррозией в широком смысле.
Термин коррозия в данном случае – только характеристика того, что металлическая поверхность вступает в химическую реакцию и теряет под её влиянием свои изначальные свойства.
4 основных признака, по которым можно определить, что этот процесс существует:
- процесс, развивающийся на поверхности, и со временем проникающий внутрь металлического изделия;
- реакция возникает самопроизвольно от того, что нарушается устойчивость термодинамического баланса между окружающей средой и системой атомов в сплаве или монолите;
- химия воспринимает этот процесс не просто, как реакцию разрушения, но как реакцию восстановления и окисления: при вступлении в реакцию одни атомы замещают другие;
- свойства и особенности метала при такой реакции претерпевают значительные изменения, или утрачиваются там, где она происходит.
Особенности катодной защиты труб
Коррозия в трубопроводах обычно возникает из-за различных дефектов и повреждений труб — разрывы, растрескивание, появление щелей и так далее. Из-за коррозии нарушается герметизация труб, что может привести к полной или частичной поломке трубопровода. Особенно остро эта проблема стоит для подземных трубопроводов. При расположении труб под землей создаются участки с разным электрическим потенциалом. Это связано с неоднородностью грунта и наличия в земли различного мусора неорганического происхождения. При наличии серьезной разности потенциалов отрицательно заряженные ионы в земле начинают вступать в реакцию в металлом. Это приводит к коррозии, которая быстро разрушает трубопровод.
Электрический потенциал
Катодная защита трубопроводов от коррозии осуществляется по двум стандартным схемам. С помощью катодной поляризации и с помощью создания внешних станций. Защита трубопроводов должна быть направлена в первую очередь на снижения скорости разрушения материала трубы. Делается это с помощью уменьшения электрического потенциала трубы в сравнении с электрическим потенциалом грунта:
- Электрический потенциал большинства современных труб составляет приблизительно 0,8-0,9 вольт.
- Экспериментальным путем было показано, что основные породы грунта обладают потенциалом приблизительно 0,5-0,6 вольт.
Для уравнения электрических потенциалов необходимо снизить потенциал труб всего на 0,3-0,4 вольт. Это позволяет практически полностью остановить появление ржавчины. В случае правильного проведения работ скорость естественного ржавления составит менее 1 мм в год.
Выбор способа
Для труб подходит технология создания внешних станций защиты. В качестве источников питания в данном случае используют воздушные электролинии с напряжением от 500 до 10000 вольт. Чем больше напряжение, тем больше труб можно обслужить. Иногда таких линий нет на том или ином участке. В таком случае имеет смысл монтаж различных генераторов.
У технологии внешних станций есть один крупный недостаток. Для создания защиты придется проводить трудоемкие и сложные работы. Это значительно увеличивает стоимость создания трубопровода. При работе с большим напряжением в точке подачи электричества может создаваться избыточное электрическое напряжение — из-за этого может возникнуть водородное растрескивание труб, поэтому при проведении монтажных работ разводку электричества нужно производить аккуратно.
Вместо технологии защитных станций можно использовать методику применения гальванических анодов для создания эффекта поляризации. Эта технология подходит для грунтов с малым удельным сопротивлением (до 50 Ом на 1 кв. м). Если же удельное сопротивление грунта будет очень большим, то технология применения гальванических анодов является практически бесполезной в связи с ее малой эффективностью.
Виды коррозии
В зависимости от типа металла и окислительно-восстановительной реакции, происходящей с ним, коррозия может быть:
- равномерной или неравномерной;
- местной и точечной (отдельные участки почему-либо вступили в реакцию, а другие – нет);
- язвенной, известной еще как питтинг;
- подповерхностной;
- растрескивающейся;
- межкристаллической, возникающая вдоль границ кристалла металла.
Также в зависимости от того, какие именно внешние факторы воздействуют на поверхность, коррозия бывает химической и электрохимической. Химическая коррозия происходит в результате некоторых реакций под влиянием химических взаимодействий, но без участия электрического тока, и может быть присуща даже нефти и газу. Электрохимическая отличается определенными процессами, она более сложная, чем химическая.
На видео: коррозия металлов.
Причины и признаки электрохимической коррозии
Электрохимическая коррозия отличается от химической тем, что процесс разрушения проходит в системе электролитов, отчего внутри этой системы возникает электрический ток. Два сопряжённых процесса, анодный и катодный, приводят к удалению из кристаллической решетки металла неустойчивых атомов. Ионы при анодном переходят в раствор, а электроны от анодного процесса попадают в ловушку к веществу-окислителю и связываются деполяризатором.
Таким образом, деполяризация – это отвод с катодных участков свободных электронов, а деполяризатор – вещество, которое отвечает за этот процесс. Основные реакции происходят с участием водорода и кислорода в роли деполяризаторов.
Существует множество примеров электрохимической коррозии разного типа, которая оказывает воздействие на металлические поверхности в природе и проходит под влиянием различных условий. Водород при этом работает в кислой среде, а кислород – в нейтральной.
Практически все металлы подвергаются электрохимической коррозии, и по этому признаку их разбивают на 4 группы, определяют величину их электродного потенциала:
- активные коррозируют даже в той среде, где нет окислителей;
- среднеактивные вступают в реакцию окисления в кислотной среде;
- малоактивные не вступают в реакцию при отсутствии окислителей и в нейтральных, и в кислых средах;
- не вступают в реакцию — высокой стабильности (благородные металлы, палладий, золото, платина, иридий).
Самый распространенный вид электрохимической коррозии – атмосферная.
Но эта же реакция может протекать и в воде, в растворах оснований, солей и кислот. В узкоспециальном различии атмосферной коррозии различают почвенную и аэрационную, морскую и биологическую (протекающую под воздействием бактерий).
Есть даже электрическая коррозия, которая протекает под воздействием электрического тока, и является результатом работы блуждающих токов, возникающих там, где электрический ток используется человеком для осуществления определенной деятельности.
Гомогенная металлическая поверхность при этом разрушается из-за термодинамической неустойчивости к окружающей среде. А гетерогенная – из-за состава кристаллической решётки, в которой атомы одного металла держатся плотнее, чем атомы инородных вкраплений. Эти реакции отличаются скоростью протекания ионизации ионов, и восстановления окислительных компонентов окружающей среды.
Разрушение металлических поверхностей при электрохимической коррозии состоит в одновременном протекании двух процессов: анодного и катодного, и отличия процессов состоят в том, что растворение происходит на анодах, которые и контактируют с окружающей средой через множество микроэлектродов, которые входят в состав поверхности любого металла и замкнуты на себя.
Характерными примерами электрохимической коррозии можно считать протекание коррозионных процессов на днищах морских судов или в атмосфере на металлических конструкциях.
Как ржавеют полотенцесушители – этапы электрокоррозии
На полотенцесушителях, обработанных краской, сначала начинает вздуваться декоративное покрытие. На современных сушилках из нержавеющей стали видны пятна коррозии диаметром 5-6 мм.
Этапы развития электрокоррозии:
- Первые признаки ржавчины. На поверхности трубы появляются небольшие островки коррозии. Пятна обычно имеют небольшой размер – со спичечную головку.
- Поврежденный участок расширяется. Группы пятен объединяются, что повышает скорость распространения коррозии.
- Поражение глубинных слоев. При очищении трубы можно заметить, что металл разрушается на значительную глубину. Под слоем оксида образуется воронка.
- Разрушение трубы. В большинстве вариантов результатом электрокоррозии становится разрушение резьбы полотенцесушителя. Однако и на ровной поверхности может появиться отверстие.
Не всегда причина электрокоррозии кроется в собственных действиях. Виновным может оказаться сосед. К примеру, если в ходе ремонта он установил сушилку из металлопластиковой трубы или сделал переходник от стояка к змеевику из пластика.
Электрокоррозия возможна в случаях, когда труба, подверженная воздействию тока, контактирует с водой. Возникают так называемые пробои. При контакте двух металлов, обладающих разной химической активностью, неизбежно начинается химический процесс. Поскольку поверхность металла состоит из множества замкнутых микроэлектродов. Под воздействием электричества и минеральных соединений, содержащихся в воде, структура разрушается.
Необходимость антикоррозионной защиты
Защита металла от воздействий, которые разрушающе действуют на его поверхность – одна из основных задач, возникающих перед теми людьми, которые работают с механизмами, агрегатами и машинами, морскими судами и строительными процессами.
Любой металл, кроме благородных, в той или иной степени, подвергается воздействию разрушительных процессов.
Чем активнее эксплуатируется устройство или деталь, тем больше шансов у нее подвергнуться разрушительному воздействию и атмосферных условий, жидкостей, с которыми приходится сталкиваться в процессе работы. Над защитой металла от коррозии работают многие отрасли науки и промышленного производства, но основные способы остаются при этом неизменными, и состоят в создании защитных покрытий:
- металлических;
- неметаллических;
- химических.
Неметаллические покрытия создаются с помощью органических и неорганических соединений, их принцип действия достаточно эффективен и отличается от остальных типов защиты. Для создания неметаллической защиты в промышленном и строительном производстве используются лакокрасочные составы, бетон и битум и высокомолекулярные соединения, особенно активно взятые на вооружение в последние годы, когда больших высот достигла химия полимеров.
Химия внесла свой вклад в создание защитных покрытий методами:
- оксидирования (создания защитной пленки на металле с помощью оксидных пленок);
- фосфатирования (фосфатных пленок);
- азотирования (насыщения поверхности стали азотом);
- цементации (соединения с углеродом);
- воронения (соединения с органическими веществами);
- изменения состава металла путем введения в него антикоррозийных добавок);
- модификации окружающей коррозийной среды путем введения ингибиторов, влияющих на нее.
Электрохимическая защита от коррозии – это процесс, обратный электрохимической коррозии. В зависимости от смещения потенциала металла в положительную или отрицательную стороны, различают анодную и катодную защиту. Путем подсоединения к металлическому изделию протектора или источника постоянного тока на металлической поверхности создается катодная поляризация, которая и препятствует разрушению металла через анод.
Электрохимические методы защиты состоят в двух вариантах:
- металлическое покрытие защищено другим металлом, у которого более отрицательный потенциал (то есть, защищающий металл менее устойчив, чем защищаемый), и это называется анодное покрытие;
- покрытие нанесено из менее активного металла, и тогда он является и называется катодным.
Анодная защита от коррозии – это, например, оцинкованное железо. Пока не израсходуется весь цинк с защитного слоя, железо будет в относительной безопасности.
Защита катодным способом – это никелирование или нанесение меди. В этом случае разрушение защитного слоя приводит и к разрушению того слоя, который он защищает. Присоединение протектора для предохранения металлического изделия ничем не отличается от протекания реакции в других случаях. Протектор выступает в роли анода, а то, что находится под его протекторатом, остается в сохранности, используя созданные ему условия.
Протекторная защита (применение протектора)
Разновидностью катодной защиты является протекторная. При использовании протекторной защиты к защищаемому объекту подсоединяется металл с более электроотрицательным потенциалом. При этом идет разрушение не конструкции, а протектора. Со временем протектор корродирует и его необходимо заменять на новый.
Протекторная защита эффективна в случаях, когда между протектором и окружающей средой небольшое переходное сопротивление.
Каждый протектор имеет свой радиус защитного действия, который определяется максимально возможным расстоянием, на которое можно удалить протектор без потери защитного эффекта. Применяется протекторная защита чаще всего тогда, когда невозможно или трудно и дорого подвести к конструкции ток.
Протекторы используются для защиты сооружений в нейтральных средах (морская или речная вода, воздух, почва и др.).
Для изготовления протекторов используют такие металлы: магний, цинк, железо, алюминий. Чистые металлы не выполняют в полной мере своих защитных функций, поэтому при изготовлении протекторов их дополнительно легируют.
Железные протекторы изготавливаются из углеродистых сталей либо чистого железа.
Цинковые протекторы
Цинковые протекторы содержат около 0,001 – 0,005 % свинца, меди и железа, 0,1 – 0,5 % алюминия и 0,025 – 0,15 % кадмия. Цинковые проекторы применяют для защиты изделий от морской коррозии (в соленой воде). Если цинковый протектор эксплуатировать в слабосоленой, пресной воде либо почвах – он достаточно быстро покрывается толстым слоем оксидов и гидроксидов.
Протектор магниевый
Сплавы для изготовления магниевых протекторов легируют 2 – 5 % цинка и 5 – 7 % алюминия. Количество в сплаве меди, свинца, железа, кремния, никеля не должно превышать десятых и сотых долей процента.
Протектор магниевый используют в слабосоленых, пресных водах, почвах. Протектор применяется с средах, где цинковые и алюминиевые протекторы малоэффективны. Важным аспектом является то, что протекторы из магния должны эксплуатироваться в среде с рН 9,5 – 10,5. Это объясняется высокой скоростью растворения магния и образованием на его поверхности труднорастворимых соединений.
Магниевый протектор опасен, т.к. является причиной водородного охрупчивания и коррозионного растрескивания конструкций.
Алюминиевые протекторы
Алюминиевые протекторы содержат добавки, которые предотвращают образование окислов алюминия. В такие протекторы вводят до 8 % цинка, до 5 % магния и десятые-сотые доли кремния, кадмия, индия, таллия. Алюминиевые протекторы эксплуатируются в прибрежном шельфе и проточной морской воде.
Способы защиты металла
Электрохимическая коррозия – одно из основных препятствий, которые встречаются на пути человеческой деятельности. Защита от воздействия разрушительных процессов и их протекания на поверхности конструкций и сооружений – одна из перманентных и насущных задач любого промышленного производства, и любой бытовой деятельности человека.
Разработано несколько способов такой защиты, и все они активно применяются в повседневном цикле жизнедеятельности:
- Электрохимическая защита – электролитическое по принципу работы использование химических закономерностей, защищает металл с помощью анодного, катодного и протекторного принципа.
- Электроискровая обработка с использованием различных установок – бесконтактных, контактных, анодно-механических.
- Электродуговое напыление – основное преимущество в толщине наносимого слоя и относительной дешевизне производимого процесса.
- Эффективная антикоррозийная обработка – удаление загрязнений и очистка обрабатываемой поверхности, с последующим нанесением на поверхность сначала противокоррозионного, а затем и дополнительного защитного слоя.
Все эти способы наработаны в процессе деятельности человека с целью защиты инструментария, средств передвижения и транспортировки на стыке нескольких промышленных отраслей, и с использованием научных достижений.
Электрохимическая коррозия, которая является естественным процессом разрушения поверхности металла под воздействием нейтральных или агрессивных факторов окружающей среды, представляет собой сложную проблему. Убытки от нее терпят и машиностроительные, и транспортные, и промышленные предприятия, средства передвижения. И это проблема, которая требует ежедневного разрешения.
Подробнее о коррозии и ее процессах (1 видео)
Разные виды коррозии (19 фото)
Комбинация протекторов и красок
Часто возникает необходимость защитить газопровод от коррозии не только протектором, но лакокрасочным материалом. Краска считается пассивным способом защиты от коррозионных процессов и действительно эффективна лишь, когда сочетается с применением протектора.
Такая методика сочетания позволяет:
- Уменьшить отрицательное воздействие потенциальных изъянов покрытия металлоконструкций (отслаивание, набухание, растрескивание, вспучивание и тому подобное). Такие изъяны имеются не только в результате заводского брака, но и в связи с природными факторами.
- Уменьшить (порой на весьма значимую величину) расход дорогих протекторов, при этом увеличив их срок эксплуатации.
- Сделать распределение по металлу защитного слоя более равномерным.
Также стоит отметить, что лакокрасочные составы очень часто непросто наносить на определенные поверхности уже работающего газопровода, танкера или какой-то другой металлоконструкции. В таких случаях придется обойтись только защитным протектором.
