Методы защиты от коррозии металлов и сплавов

Как и в случае катодной защиты внешним током, эффективность протекторной защиты возрастает при ее совместном использовании с защитными покрытиями. Так, нанесение битумного покрытия на трубопроводы значительно улучшает распределение защитного тока, уменьшает число анодов и увеличивает протяженность участка трубопровода, защищаемого с помощью одного протектора. Если одним магниевым анодом можно обеспечить защиту непокрытого трубопровода длиной всего 30 м, то защита покрытого битумом трубопровода действует на длину до 8 км.

 

3.2 Анодная защита

 

Анодную защиту применяют  при эксплуатации оборудования в хорошо электропроводных средах и изготовленного из легко пассивирующихся материалов – углеродистых, низколегированных нержавеющих сталей, титана, высоколегированных сплавов на основе железа. Анодная защита перспективна в случае оборудования, изготовленного из разнородных пассивирующихся материалов, например нержавеющих сталей различного состава, сварных соединений.

Анодная защита осуществляется присоединением защищаемой металлической  конструкции к положительному полюсу внешнего источника постоянного тока или к металлу с более положительным потенциалом (катодный протектор).

При этом потенциал защищаемого металла смещается в положительную сторону до достижения устойчивого пассивного состояния (рис. 50).

В результате происходит не только существенное (в тысячи раз) снижение скорости коррозии металла, но и предотвращение попадания продуктов его растворения в производимый продукт.

Катоды, используемые при анодной защите от внешнего источника тока, должны иметь высокую устойчивость в коррозионной среде. Выбор материала катода определяется характеристиками среды. Используют такие материалы, как Pt, Ta, Pb, Ni, платинированную латунь, высоколегированные нержавеющие стали и др. Схема расположения катодов проектируется индивидуально для каждого конкретного случая защиты.

В качестве катодного проектора можно использовать такие материалы, как углерод, диоксид марганца, магнетит, диоксид свинца, имеющие весьма положительный потенциал.

Анодная защита от внешнего источника основана на пропускании  тока через защищаемый объект и на смещении потенциала коррозии в сторону более положительных значений.

Установка для анодной  защиты состоит из объекта защиты, катода, электрода сравнения и  источника электрического тока.

Основным условием возможности  применения анодной защиты является наличие протяженной области устойчивой пассивности металла при плотности тока растворения металла не более (1,5— 6,0)·10^-1А/м².

Основным критерием, характеризующим  состояние поверхности металла, является электродный потенциал. Обычно возможность применения анодной защиты для конкретного металла или сплава определяют методом снятия анодных поляризационных кривых. При этом получают следующие данные:

а) потенциал коррозии металла в исследуемом растворе;

б) протяженность области  устойчивой пассивности;

в) плотность тока в области устойчивой пассивности.

Эффективность защиты определяют как отношение скорости коррозии без защиты к скорости коррозии под  защитой.

Как правило, параметры  анодной защиты, полученные в лабораторных и производственных условиях, хорошо согласуются между собой. В зависимости от конкретных условий эксплуатации область защитных потенциалов при анодной защите лежит на 0,3-1,5В положительнее потенциала свободной коррозии, а скорость растворения металлов при этом может уменьшиться в тысячи раз.

Существенным ограничением применения анодной защиты является вероятность возникновения локальных видов коррозии в области пассивного состояния металла. Для предотвращения этого явления на основании предварительных исследований рекомендуют такое значение защитного потенциала, при котором локальные виды коррозии не возникают или в раствор вводят ингибирующие добавки. Например, анодная защита стали 12X18Н10Т в растворах хлоридов в присутствии ионов N0₃^- предотвращает образование питтингов и снижает скорость растворения стали в 2000 раз. В ряде случаев вследствие повышенной опасности возникновения локальных коррозионных процессов применение анодной защиты неэффективно. Резкий рост тока пассивации металлов с увеличением температуры агрессивных сред ограничивает применение анодной защиты в условиях повышенных температур.

При стационарном режиме работы установки величина тока поляризации, требуемого для поддержания устойчивого  пассивного состояния, постоянно меняется вследствие изменения эксплуатационных параметров коррозионной среды (температуры, химического состава, условий перемешивания, скорости движения раствора и др.). Поддерживать потенциал металлоконструкции в заданных границах можно путем постоянной или периодической поляризации. В случае периодической поляризации включение и выключение тока производят либо при достижении определенного значения потенциала, либо при его отклонении на определенную величину. В обоих случаях параметры анодной защиты определяют опытным способом в лабораторных условиях.

Для успешного применения анодной защиты объект должен отвечать следующим требованиям:

а) материал аппарата должен пассивироваться в технологической  среде;

б) конструкция аппарата не должна иметь заклепок, количество щелей и воздушных карманов должно быть минимальным, сварка должна быть качественной;

в) катод и электрод сравнения в защищаемом устройстве должны постоянно находиться в растворе.

В химической промышленности для анодной защиты наиболее пригодны аппараты цилиндрической формы, а также  теплообменники. В настоящее время анодная защита нержавеющих сталей применяется для мерников, сборников, цистерн, хранилищ в производстве серной кислоты, минеральных удобрений, аммиачных растворов. Описаны случаи применения анодной защиты теплообменной аппаратуры в производствах серной кислоты и искусственного волокна, а также ванн для химического никелирования.

Метод анодной защиты имеет относительно ограниченное применение, так как пассивация эффективна в  основном в окислительных средах при отсутствии активных депассивирующих  ионов, например ионов хлора для железа и нержавеющих сталей. Кроме того, анодная защита потенциально опасна: в случае перерыва подачи тока возможно активирование металла и его интенсивное анодное растворение. Поэтому анодная защита требует наличия тщательной системы контроля.

В отличие от катодной защиты скорость коррозии при анодной  защите никогда не уменьшается до нуля, хотя может быть и очень  небольшой. Зато защитная плотность  тока здесь значительно ниже, а  потребление электроэнергии невелико.

Другое достоинство анодной защиты — высокая рассеивающая способность, т.е. возможность защиты на более отдаленном от катода расстоянии и в электрически экранированных участках.

 

 

3.3 Кислородная защита

 

Кислородная защита является разновидностью электрохимической  защиты, при которой смещение потенциала защищаемой металлоконструкции в положительную сторону осуществляется путем насыщения коррозионной среды кислородом. В результате этого скорость катодного процесса настолько возрастает, что становится возможным перевод стали из активного в пассивное состояние.

 

Рисунок- Зависимость скорости коррозии низколегированной стали в воде при температуре 300 °С от концентрации кислорода в воде

 

Поскольку величина критического тока пассивации сплавов Fe-Cr, к которым относятся и стали, существенно зависит от содержания в них хрома, ее эффективность возрастает с увеличением концентрации хрома в сплаве. Кислородная защита применяется при коррозии теплоэнергетического оборудования, эксплуатирующегося в воде при высоких параметрах (высокие температура и давление). На рис. представлена зависимость скорости коррозии низколегированной стали от концентрации кислорода в высокотемпературной воде. Как видно, увеличение концентрации растворенного в воде кислорода приводит к первоначальному росту скорости коррозии, последующему се снижению и дальнейшей стационарности. Низкие стационарные скорости растворения стали (в 10—30 раз ниже имеющих место без защиты) достигаются при содержании кислорода в воде ~ 1,8 г/л. Кислородная защита металлов нашла применение в атомной энергетике.

 

 

4. Разработка и производство новых конструкционных материалов повышенной коррозионной устойчивости

 

Улучшение антикоррозионных свойств самих металлических  материалов осуществляется:

1) устранением из металлов и сплавов примесей, ускоряющих коррозионные процессы;

2) легированием.

Чистые металлы и  сплавы, то есть металлические конструкционные  материалы, практически беспримесные, строго отвечают заданному поведению. Поскольку в них нет отклонений от стехиометрии в составе и структуре, то нет отклонений и в поведении.

Для наиболее ответственных конструкций и аппаратов налажен промышленный выпуск металлов и сплавов, обладающих высокой чистотой и применяемых в ракетостроении, ядерной технике и т.д.

Примеси в металлах и  сплавах образуют дефекты в кристаллах. Из-за дефектов запас энергии реальных кристаллов выше, чем идеальных, что обуславливает более реакционную способность первых.

В условиях газовой коррозии примеси влияют не только на жаропрочность, но и жаростойкость. Технические  стали делятся на стали обыкновенного  качества и качественные. Качественные стали имеют узкие пределы по содержанию примесей (серы, фосфора, неметаллических включений и др.) по количеству и макро- и микроструктуры. Например, наличие в стали серы приводит к тому, что при 1000 – 1200 ºС в местах ее скопления возникают надрывы и трещины. Растворенный в стали или меди водород делает металл более хрупким. Фосфор, образуя фосфиды железа (легкоплавкие эвтектики), оказывает вредное влияние на свойства стали.

При электрохимической  коррозии металлов и сплавов наличие примесей приводит к образованию микрогальванических элементов с основным металлом и увеличению скорости коррозии. При значительном накоплении примесей может протекать и контактная коррозия. Поэтому повышение чистоты конструкционных материалов ведет к снижению коррозионных потерь.

Легирование металлов и  сплавов повышает их коррозионную стойкость. Сильно повышается коррозионная стойкость  железа при введении более 12% хрома, марганца в магниевые сплавы, никеля в железные сплавы, меди в никелевые сплавы и т.д.

Для жаростойких сплавов на основе железа основными легирующими компонентами являются хром, кремний и алюминий.

Под действием высоких  температур кремний, алюминий и хром образуют тугоплавкие оксиды. Так, температура плавления Al₂O₃ и Cr₂O₃ составляет 2320 и 2500 ºС соответственно. При легировании стали хромом, алюминием и кремнием на поверхности образуются окалиностойкие пленки (Cr Fe)₂O₃, (Al Fe)₂O₃ или (Si Fe)₂O₃. Железо на воздухе легко окисляется при 500ºС и выше. Для низкохромистой стали с содержанием 5-8% хрома окалиностойкость (жаростойкость) повышается до 700 – 750 ºС; введение в сталь 15-18% хрома повышает жаростойкость до 950 – 1000 ºС, а при 25% хрома – до 1100 ºС.

Как метод защиты от электрохимической  коррозии из трех контролирующих факторов коррозии по Н.Д.Томашову – анодного и катодного торможения и омического сопротивления – легирование в основном воздействует на первые два фактора.

Эффективность катодного  и анодного процессов можно понизить:

а) повышением термодинамической  устойчивости сплава, вводя в сплав (твердый раствор) значительное количество (по правилу Таммана) более благородного компонента (легирование стали никелем, никеля медью, меди золотом и др.);

б) повышение способности  перехода анодной фазы в пассивное  состояние (создание хромистых сталей, легирование никеля хромом, то есть получение нихромов и никонелей);

в) введением в очень  небольшом количестве активных катодов, способствующих катодному процессу (с кислородной деполяризацией), самопассивированию металла (легирование хромистых и хромоникелевых сплавов малым количеством платины для повышения устойчивости к атмосферной коррозии, сырого чугуна медью для повышения устойчивости к азотной кислоте и т.д.);

г) если для неокислительных  сред повышать перенапряжение выделения  водорода (легирование стали мышьяком, сурьмой или висмутом, цинка кадмием и т.д.).

При кислотной коррозии в восстановительных средах, когда  отсутствует возможность пассивирования, весьма полезны методы а) и г). В окислительных средах применимы все методы снижения активности анодного процесса, кроме г).

Принципы легирования и создания сплавов повышенной коррозионной стойкости более подробно рассматривались в предыдущих главах.

 

 

5. Переход в ряде конструкций от металлических к химически стойким неметаллическим материалам

 

Дополнительным резервом для организации противокоррозионной защиты являются неметаллические материалы. Из стекла, керамики, ситаллов, винипласта, фаолита, графита и других неметаллических материалов могут быть изготовлены отдельные аппараты или детали к ним. Их отличительной особенностью является высокая коррозионная стойкость во многих агрессивных средах. Подробно неметаллические материалы рассмотрены в главе V, часть 4

 

 

6. Рациональное конструирование и эксплуатация металлических сооружений и деталей

 

При проектировании химического  производства, как правило, уделяют основное внимание анализу характера агрессивной среды и условиям протекания процесса. Руководствуясь этими данными, выбирают материал, обладающий достаточным химическим сопротивлением. Однако конструкционный материал ,наиболее стойкий в данной коррозионной среде, далеко не во всех случаях позволяет предотвращать опасность быстрого коррозионного разрушения. Поэтому столь же пристального внимания заслуживает рациональное конструирование отдельных узлов и аппаратов. Неудачное конструирование во многих случаях может явиться причиной образования застойных зон, зазоров, концентрации напряжений и других явлений, способствующих возникновению и протеканию коррозии.