Види корозійного руйнування металів та економічне значення захисту від корозії

ПЛАН

1. Корозія металів та обгрунтування економічних затрат
   на захист від корозії ........................................................................... 3
2. Види корозійного руйнування та його фізичні основи .................... 9
3. Способи захисту від корозії ............................................................ 13

Тест ...................................................................................................... 16

Список використаної літератури ........................................................ 17

1. КОРОЗІЯ МЕТАЛІВ ТА ОБГРУНТУВАННЯ ЕКОНОМІЧНИХ ЗАТРАТ НА ЗАХИСТ ВІД КОРОЗІЇ

Корозія – це руйнування металів в результаті електрохімічної (розчинення у вологому повітряному або водному середовищі – електроліті) або хімічної (утворення з'єднань металів з хімічними агентами високої агресії) взаємодії із зовнішнім середовищем.

Корозійний процес в металах може розвинутися лише в деяких ділянках поверхні (місцева корозія), охопити всю поверхню (рівномірна корозія), або ж руйнувати метал по кордонах зерен (міжкристалічна корозія). Метал під впливом кисню і води стає рихлим світло-коричневим порошком, більше відомим як іржа.

У сучасному світі корозія металів і захист їх від корозії є однією з найважливіших науково-технічних і економічних проблем.

Технічний прогрес у багатьох галузях промисловості гальмується через невирішеність саме низки корозійних проблем. Це набуло особливої актуальності в промислово розвинених країнах з великим металофондом зазвичай в останні роки у зв'язку з усе більш широким використанням в промисловості високоміцних матеріалів, особливо агресивних середовищ, високих температур.

Величезні економічні втрати від корозії металів. Наприклад, в США за даними NACE (доповідь на 16-му Всесвітньому конгресі з корозії в Пекіні у вересні 2005 р.) збитки від корозії і витрати на боротьбу з нею склали 3,1% від ВВП (276 млрд. доларів). У Німеччині цей збиток склав 2,8% від ВВП. За оцінками фахівців різних країн ці втрати в промислово розвинених країнах становлять від 2 до 4% валового національного продукту [2, с. 69].

У таблиці 1.1 наведені щорічні корозійні втрати за даними MACE.

Таблиця 1.1

Щорічні корозійні втрати

Примітка: ²⁾ В млрд фунтів стерлінгів

Існують три основні методи оцінки корозійних втрат: метод Н. Н. Uhlіg, метод Т. Р. Hoar та метод "витрати – випуск".

За методом Н. Н. Uhlіg (дослідження проводилися у США в 1949 р.) корозійні втрати оцінювались як сума витрат на заміщення матеріалів та витрат на протикорозійний захист. При цьому корозійні втрати поділяли на прямі та непрямі. Прямі – втрати підприємств, а непрямі – втрати споживачів.

За методом Т. Р. Hoar (дослідження проводилися у Великій Британії в 1970 р.) оцінювались лише прямі втрати підприємств різних галузей. Виокремлювалися втрати неминучі та втрати, які можливо відвернути, застосовуючи антикорозійні матеріали. Зазначалося, що до галузей економіки, які зазнають найбільших втрат, належать будівництво (18%), суднобудування (21%) та транспорт (26%).

В Японії у 1974 р. використовувалися методи Н. Н. Uhlіg та Т. Р. Hoar у комплексі. За методом Н. Н. Uhlіg розраховувалися витрати на фарбування та захисні покриття, які склали 63% загальних корозійних втрат. За галузями промисловості корозійні втрати склали: машинобудування – 42%, транспорт – 19%, будівництво – 17%, хімічна промисловість – 15%, енергетика – 6%, металургія – 3% від загальних корозійних втрат країни [2, с. 70].

У США (1975 p.), Кувейті (1987 p.), Німеччині (1967 р.) для оцінки корозійних втрат використовувалася модель "витрати – випуск". За допомогою цієї моделі визначали прямий корозійний ефект по індивідуальних домогосподарствах та секторах економіки.

Класифікація корозійних втрат представлена у таблиці 1.2

Таблиця 1.2

Класифікація корозійних втрат

Продовження таблиці 1.2

Розробка та практичне використання ефективних засобів протикорозійного захисту дозволяє не лише зменшити втрати металу і коштів, а й знизити металоємність конструкцій і споруд, збільшити їх вантажопідйомність, зменшити витрати паливно-енергетичних ресурсів при будівництві й експлуатації, збільшити експлуатаційний період і в цілому зменшити собівартість та підвищити рентабельність об'єктів техніки.

Ефекти від запобігання корозійним втратам основних засобів виробництва представлені у таблиці 1.3.

Таблиця 1.3

Ефекти від запобігання корозійним втратам основних засобів виробництва

Продовження таблиці 1.3

Розглянемо економічне обгрунтування вибору того чи іншого варіанту антикорозійного покриття у будівництві суден.

Оскільки основним засобом протикорозійного захисту суден є лакофарбові покриття, то цілком зрозуміло, наскільки важливі й актуальні питання застосування ефективних лакофарбових матеріалів та якісного їх нанесення.

Економічний аналіз того чи іншого варіанту нанесення покриття будується на основі зіставлення витрат і ефективності (функціональних якостей, довговічності) отриманого покриття. Найбільш показово зіставляти витрати за вартістю фарбування 1 м² поверхні. Остаточна вартість покриття – це сума прямих, непрямих і непередбачених витрат.

Прямі витрати включають:

– вартість лакофарбових матеріалів, розчинників, витратних матеріалів;

– вартість разового обладнання, технологічної оснастки; амортизаційні відрахування на відновлення устаткування і основних виробничих фондів;

– повні витрати на виконання підготовчих, очисних і фарбувальних робіт;

– повні витрати на виконання заходів з техніки безпеки і охорони навколишнього середовища;

– витрати на здійснення контролю всіх операцій технологічного процесу;

– витрати на страхування.

Непрямі витрати включають:

– витрати на забезпечення умов для проведення очисних і фарбувальних робіт (вентиляція, сушка, опалення, освітлення і та ін.);

– витрати на зведення лісів, риштовання, на транспортні роботи тощо.

Непередбачені витрати виникають в результаті:

– переривання очисних і фарбувальних робіт через погодні умови;

– вимушених простоїв за різними технологічними обставинами;

– необхідності повторного виконання очисних і фарбувальних робіт внаслідок низької якості їх первинного виконання.

Ефективність покриття оцінюється як комплекс функціональних властивостей (протикорозійних, декоративних, зносостійких та ін.) протягом строку служби покриття.

Таким чином, вирішальним фактором вибору того чи іншого варіанту покриття є його довговічність. При цьому враховується, що витрати на відновлення покриття часто перевищують витрати на його первинне нанесення, а якість відновлених покриттів завідомо нижче початкових.

Слід також враховувати, що в загальній вартості фарбування об'єкта і експлуатаційних витрат велику роль відіграє якість фарби і відносно незначну – її ціна. Наприклад, вартість якісного фарбування з попередньою струйною обробкою становить від 30 до 50 дол. за 1 м², у тому числі вартість якісної фарби, що витрачається на 1 м² становить у середньому близько 4 дол., тобто близько 10% від вартості забарвлення. Використання дешевої фарби невисокої якості дозволить знизити загальні витрати на 4-6%, але призведе до необхідності більш раннього відновлення покриття, що обійдеться дорожче

2. ВИДИ КОРОЗІЙНОГО РУЙНУВАННЯ ТА ЙОГО ФІЗИЧНІ ОСНОВИ

Корозією металу називають процес його самочинного руйнування внаслідок взаємодії з оточуючим середовищем. Корозію металів поділяють на хімічну та електрохімічну.

Хімічна корозія виникає зазвичай за високих температур в результаті дії на метал сухих газів, рідин або розчинів, що не проводять електричний струм.

Суть хімічної корозії – пряма взаємодія металу з агресивним середовищем. Метали хімічно кородують під час термічної обробки або внаслідок тривалої експлуатації за доволі високих температур. Це стосується арматури плавильних печей, деталей двигунів внутрішнього згоряння, лопаток газових турбін та ін. Внаслідок хімічної корозії на поверхні металу утворюються відповідні сполуки: оксиди, сульфіди, нітриди тощо.

Електрохімічна корозія є наслідком контакту металу з рідким середовищем, здатним проводити електричний струм. Її поділяють на:

1) атмосферну, яка виникає за наявності на поверхні металу плівки вологи, в якій гази, що містяться в атмосфері (наприклад, О², СО², SO² тощо), здатні розчинятися з утворенням електролітних систем;

2) рідинну, яка перебігає у струмопровідному рідкому середовищі;

3) ґрунтову, що відбувається під впливом ґрунтових вод.

Внаслідок електрохімічної корозії окиснення металу може призводити як до утворення нерозчинних продуктів (наприклад, іржі), так і до переходу металу у розчин у вигляді іонів.

Оскільки зазвичай будь-який метал, що використовується для промислових потреб, не є ідеально чистим і містить включення різного характеру (технічний метал), то причиною електрохімічної корозії у цьому випадку є утворення на поверхні металу великої кількості короткозамкнених локальних гальванічних елементів. Поява таких елементів може бути пов'язана не лише із наявністю різних (особливо металічних) домішок у металі (контактна корозія), але й з неоднорідністю його поверхні, дефектами кристалічної решітки, механічними ушкодженнями поверхні металу тощо.

Якщо так званий технічний метал покрито вологою плівкою, то у кожному із зазначених гальванічних мікроелементів, що утворюються на поверхні металу, перебігають дві незалежні реакції. Більш активний компонент корозійної пари віддає електрони (наприклад, цинк у парі Zn і Fe) і переходить у рідке середовище у вигляді гідратованих іонів (тобто кородує) за реакцією (анодний процес):

М + nH₂O = M^z+· nH₂O  +  ze

Ця частина поверхні є негативним полюсом локального мікроелементу, де метал електрохімічно розчиняється.

На менш активній ділянці поверхні, яка є позитивним полюсом мікроелементу (у наведеному прикладі – залізо), електрони зв'язуються за рахунок перебігу процесу відновлення (катодний процес) за схемою:

Ox + ze = Red.

Отже, наявність окисників у плівці вологи, які здатні зв'язувати електрони, забезпечує можливість подальшого перебігу анодного процесу. Таким чином, корозія може розвиватися лише за умови одночасного перебігу як анодного, так і катодного процесів. Внаслідок гальмування одного з них швидкість корозії зменшується.

Обидва зазначені процеси спричиняють поляризацію відповідних полюсів (електродів) мікроелементу. Зазвичай корозія більш суттєво сповільнюється поляризацією катода. Тому вона буде посилюватись під впливом факторів, які запобігають катодній поляризації і супроводжуються так званою деполяризацією позитивного електрода.

У багатьох корозійних процесах катодна деполяризація здійснюється за рахунок розряду іонів водню або відновлення молекул води (воднева деполяризація):

2Н⁺ + 2е = Н₂  –  у кислому середовищі;

2Н₂О + 2е = Н₂ + 2ОН^–  –  у нейтральному та лужному середовищах.

Потенціал, який відповідає наведеним електродним процесам, залежно від природи агресивного середовища, може змінюватись від – 0,83 В до 0 В. Для нейтрального водного розчину за температур, наближених до стандартної, він дорівнює приблизно – 0,41 В. Отже, іони водню, що містяться у воді та у нейтральних водних системах, можуть окислювати тільки ті метали, потенціал яких менший за – 0,41 В. Це метали, що розташовані у ряді напруг до кадмію. Враховуючи те, що деякі з них мають на своїй поверхні захисну оксидну плівку, число металів, які можуть бути окиснені іонами водню в нейтральних середовищах, незначне.

Якщо волога плівка на поверхні металу містить розчинений кисень повітря, то він здатний залежно від характеру середовища зв’язувати електрони за реакціями (киснева деполяризація):

О₂ + 4е + 2Н₂О = 4ОН^–

або                                                    О₂ + 4е + 4Н⁺ = 2Н₂О.

Потенціали зазначених електродних реакції за температур, наближених до стандартної, змінюються від 0,4 В (лужне середовище) до 1,23 В (кисле середовище). У нейтральних середовищах потенціал процесу відновлення кисню за зазначених умов становить приблизно 0,8 В. Отже, розчинений у воді або у нейтральному водному розчині кисень здатний окислювати ті метали, потенціал яких менший за 0,8 В. Це усі метали, що в ряді напруг стоять до срібла.

Таким чином, кисень і іони водню – найважливіші окисники, які спричиняють електрохімічну корозію металів. При цьому волога плівка, що містить розчинений кисень, в корозійному відношенні значно небезпечніша, ніж волога, де кисню немає і яка спроможна окислювати метали тільки іонами водню, оскільки в останньому випадку кількість металів, що можуть кородувати, значно менша.

Наприклад, у сталі та у чавуні є домішки вуглецю переважно у вигляді карбіду заліза Fe₃C. Корозія з водневою деполяризацією для зазначених металів виглядає таким чином:

(–)   Feï Н₂О + H₂S, CO₂, NO₂ і под.ïFe₃C (+)

(–)   Fe  – 2e +  nH₂O = Fe²⁺· nH₂O                   (подалі може утворюватись іржа)

(+) 2Н⁺ + 2е = Н₂                                                        (у підкисленому середовищі)

(+) 2Н₂О + 2е = Н₂ + 2ОН^–                                 (у нейтральному та лужному середовищі)

Механізм корозії заліза, в якому містяться домішки міді, у випадку кисневої деполяризації катода описується рівняннями:

Н₂О             (–) Feï Н₂О + розчинений О₂ïСu (+) (контактна корозія)

Cu                (–)   Fe – 2e +  nH₂O = Fe²⁺·nH₂O

(+)  0,5О₂ + Н₂О + 2е = 2ОН^–         (нейтральне або лужне                                                                                                             середовище)

(+)  0,5О₂ + 2Н⁺  + 2е = Н₂О (кисле середовище)

Швидкість корозії залежить від:

– різниці потенціалів між полюсами гальванічного мікроелементу;

– складу та властивостей електролітного середовища (рН, наявність інгібіторів та стимуляторів корозії та ін.);

– концентрації (інтенсивності подачі) окиснювача;

– температури.

3. СПОСОБИ ЗАХИСТУ ВІД КОРОЗІЇ

До способів захисту металів від корозії належать такі:

1. Створення антикорозійних сплавів (легування).
2. Збільшення чистоти індивідуального металу.
3. Нанесення на поверхню металу різних захисних покриттів, які поділяють на:

– неметалічні (фарби, лаки, емалі, мастильні матеріали);

– металічні (анодні і катодні покриття);

– утворені внаслідок хімічної або електрохімічної обробки поверхні металу (пасивація заліза в концентрованих сірчаній або азотній кислотах; залізо, нікель, кобальт, магній у розчинах лугів; утворення оксидної плівки, наприклад, на алюмінії та ін.).

Найбільш цікавим в електрохімічному сенсі є захист металу металом. За характером захисної дії проти корозії металеві покриття поділяють на анодні та катодні.

Анодним називається покриття, що утворене більш активним (менш благородним) металом, ніж той, що захищають (основний метал), тобто покриття металом, який стоїть у ряді напруг до основного металу (наприклад, покриття заліза цинком, кадмієм тощо).

При місцевих руйнуваннях такого покриття кородувати буде менш благородний метал, тобто метал-покриття, оскільки утворюватиметься локальний гальванічний елемент, в якому катодом є метал, що захищають, а анодом – метал-покриття, яке окислюється. Суцільність такої захисної плівки значення не має. Проте, чим вона товща, тим довше буде захищати основний метал.

Катодним називається покриття металом з більшим потенціалом (в ряді напруг стоїть після металу, що захищають, наприклад, покриття низьколегованих сталей міддю, оловом, нікелем, сріблом). Покриття повинно бути суцільним, оскільки при його пошкодженні утворюватимуться локальні гальванічні елементи, в яких основний метал буде анодом (кородуватиме), а метал-покриття – катодом.

3. Електрохімічні методи захисту. До них належать:

– катодний захист (не можна плутати з катодним покриттям) – створення катодної поляризації: металева конструкція, яка захищається від корозії, підключається до негативного полюсу зовнішнього джерела постійного струму (стає катодом, при цьому зростає швидкість виділення на ньому водню, а швидкість корозії знижується), а до позитивного полюсу приєднують малоцінний метал. У такий спосіб вельми часто захищають підземні трубопроводи;

– протекторний захист – аналогічний до анодного покриття. До металу, який потрібно захистити, приєднують велику пластину більш активного металу і протектора. Утворюється гальванічний елемент, в якому основний метал – катод, а протектор – анод (кородує).

Зазвичай для протекторного захисту застосовують цинк, алюміній або сплави на основі магнію. Протектор поступово розчиняється, тому його потрібно періодично замінювати.

Електрохімічні методи захисту ефективні у струмопровідному середовищі (наприклад, у морській воді). Тому, наприклад, протектори широко застосовуються для захисту підводних частин морських суден.

5. Обробка корозійного середовища.

Цей метод є ефективним тоді, коли йдеться про корозію металевого виробу у невеликому об’ємі струмопровідної рідини. До нього належать:

– деаерація – вилучення кисню із агресивного середовища внаслідок продування інертним газом;

– введення в середовище інгібіторів і уповільнювачів корозії. Наприклад, у випадку кислотної корозії зазвичай це органічні речовини, молекули яких містять аміно- іміно-, тіо- та інші групи. Вони добре адсорбуються на поверхні металу та суттєво знижують швидкість електрохімічних реакцій, що призводять до корозії.

ТЕСТ

Виходячи з потужності яких цехів (дільниць, технологічних ліній, агрегатів) встановлюється виробнича потужність підприємства?

а) обслуговуючих;

 б) провідних;

в) допоміжних;

г) основних.

Виробнича потужність підприємства встановлюється виходячи з потужності провідних виробничих цехів, ділянок й агрегатів, тобто виходячи з потужності провідних виробництв. Провідними вважаються цех, ділянка, агрегат, які виконують основні й найбільш масові операції із виготовлення продукції і в яких зосереджена переважна частина обладнання.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Гуляев А. П. Металловедение : учебник / А. П. Гуляев. – М. : Металлургия, 1996. – 544 с.
2. Древаль О. Ю. Зарубежный опыт формирования научных подходов к оценке коррозионных затрат / О. Ф. Древаль // Тези доповідей П'ятої щорічної Всеукраїнської наук. конф. "Екологічний менеджмент у загальній системі управління". – Суми : Вид-во СумДУ, 2005. –
   С. 69 – 72.
3. Кушнир В. Н. Коррозия и защита оборудования судостроительной промышленности : обзорная информация / В. Н. Кушнир. – М. : ВНИИОЭНГ, 1999. – 48 с.
4. Ржевская С. В. Материаловедение : учебник / С. В. Ржевская. – М. : Изд-во Московского горного университета, 2010. – 500 с.
5. Улиг Г. Г. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику : пер. с англ. / Г. Г. Улиг ; под ред. А. М. Сухотина. – И. : Химия, 2009. – 456 с.