Виды коррозионно-механических разрушений конструкционных материалов

При коррозионном растрескивании металла можно выделить три основных периода в разрушении металла.

Инкубационный период – это процесс постепенного образования на поверхности металла микрокоррозионных трещин под воздействием коррозионной среды и локализации растягивающих напряжений. Наиболее благоприятными условиями для зарождения микротрещин являются такие, при которых и растягивающие напряжения, и коррозионный процесс локализуются на отдельных участках поверхности металла. В сильно агрессивных средах, вызывающих равномерную общую коррозию, вероятность коррозионного растрескивания гораздо меньше, чем в средах, которые вызывают местное разрушение металла (азотнокислые соли и щелочи для углеродистых сталей).

Развитие  коррозионной трещины происходит при совместном действии коррозионной среды и растягивающих напряжений в металле. Рост трещины можно рассматривать как непрерывный электрохимический процесс, в значительной степени ускоряемый наложенными напряжениями растяжения (рис. 1.5) [8].

 

 

На боковой  поверхности трещины образуется оксидная пленка продуктов коррозии. Острая часть трещины, развивающаяся  под воздействием концентрирующихся  на этом участке напряжений растяжения, постоянно обновляется, поэтому  не защищена оксидными пленками. Возникает  коррозионная пара, катодом которой  служит вся боковая поверхность  трещины, а анодом – острие трещины.

Коррозионная  пара очень эффективна, так как  и катод, и анод практически полностью  неполяризуемы. Незначительная поляризуемость катода объясняется тем, что площадь его велика по сравнению с анодом. Отсутствие поляризуемости анода, несмотря на его очень малую площадь, вызвано постоянным появлением новых активных участков на поверхности металла. В таких условиях могут возникать высокие линейные скорости роста трещины от 1 до 10 мм/ч.

Конечное  разрушение металла наступает, когда, вследствие все большей локализации напряжений, одна из трещин начинает ускорять свой рост во времени, а рост других трещин замедляется. Конечное разрушение металла происходит при преимущественном влиянии механического фактора.

На коррозионное растрескивание также оказывает  влияние адсорбция, уменьшающая  поверхностную энергию металла  в вершинах трещин, что создает  дополнительные условия для разрыва  растягивающими напряжениями.

 

Коррозионная  усталость металлов

 

Переменные  напряжения (растягивающие), в том  числе и знакопеременные, как  известно, вызывают явление усталости  металлов. Если переменные напряжения превышают величину предела усталости  металла, то через некоторое число  циклов переменных нагружений развиваются трещины усталости, и деталь разрушается (рис. 1.6, кривая 1). Ниже предела усталости металл не разрушается даже при очень большом числе циклов.

Многие детали машин подвергаются одновременному воздействию переменных напряжений и коррозионной среды, что сильно снижает коррозионную стойкость  металла. Разрушение металла под  действием коррозионноактивной среды и знакопеременных напряжений называется коррозионной усталостью металла. При коррозионной усталости наблюдается снижение предела усталости по сравнению с пределом усталости в отсутствие коррозионной среды. Механизм разрушения металла в условиях возникновения коррозионной усталости остается в основном тот же, что и при коррозионном растрескивании, но, естественно, должен относиться к периодам действия растягивающих напряжений. На рис. 1.6 показана зависимость величины приложенных знакопеременных напряжений от числа циклов до разрушения стали без воздействия (кривая 1) и при воздействии коррозионной среды (кривая 2).

 

Коррозионно-усталостная  прочность металлов и сплавов (таблица 1.1) существенно зависит от их состава. Данные в таблице приведены для  числа циклов 5·107.

От коррозионной усталости сильно страдают валы гребных  пароходных винтов, оси и штоки  насосов, лопатки турбин, рессоры  и т. д. Переменные напряжения не вызывают усиления общей коррозии, но приводят к появлению сетки микротрещин, переходящих в крупную трещину  коррозионной усталости, что ускоряет разрушение деталей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.1.

 

Коррозия  металлов при трении

Коррозией при  трении называют механическое истирающее воздействие на металл другого твердого тела при наличии коррозионной среды  или непосредственное воздействие  на металл самой жидкой или газовой  коррозионной среды. Коррозия при трении представляет собой два сопряженных  процесса: электрохимическое или  химическое взаимодействие металла  с агрессивной средой и механический процесс износа поверхности защитных пленок и самого металла.

Стойкость металлов к коррозии при трении в значительной степени зависит от их коррозионной стойкости. В жидкости износ стали  меньше, чем на воздухе. Это обусловлено  тем, что жидкость является смазкой.

 

Коррозия  металлов при кавитационном воздействии

Коррозионной  кавитацией называют разрушение металла  в результате механического переменного  воздействия агрессивной среды  на металл. При определенных гидродинамических  условиях нарушается сплошность движущегося потока жидкости и образуются вакуумные пузыри. Затем пузыри сокращаются и исчезают. Такое явление в жидкости называется кавитацией.

 

При быстром  заполнении жидкостью образовавшихся пузырей поверхность металла  подвергается гидравлическим ударам, которые создают пульсирующие напряжения и разрушают металл. Этот вид коррозии приводит к  образованию местных  глубоких язв на перемешивающих устройствах  в химических аппаратах и т.д [9].

 

 

 

 

 

6. ВЫВОДЫ

Анализ данной литературы показал, что наиболее характерными в коксохимической промышленности агрессивные среды:

а) с повышенной температурой;

б) с содержанием комплекса органических кислот, что приводит к 
различным видам коррозионно-механического разрушения оборудования отрасли:

• равномерной коррозии;
• местной коррозии;

На коррозионно-механическое разрушение деталей оборудования отрасли влияют факторы, ускоряющие данный процесс, а именно:

а) депассивация металла;

б) рН среды;

в) температура и давление среды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. РАЗРАБОТКА АНТИКОРРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ОТРАСЛИ

 

В процессе эксплуатации химического оборудования металлы подвергаются коррозионному  разрушению, что приводит к его  преждевременному выходу из строя. На скорость коррозии оказывают существенное влияние материал, из которого изготовлено  оборудование, его конструкционные  особенности, природа агрессивной  среды и условия эксплуатации. Для повышения долговечности  и надежности вновь проектируемых аппаратов и изделий необходимо правильно выбрать материал для изготовления узлов и деталей и наиболее эффективную защиту от коррозии.

Коррозию  металлов можно замедлить изменением их стационарных потенциалов, пассивированием, нанесением защитных покрытий, снижением  концентрации окислителя в коррозионной среде, изоляцией поверхности металла  от окислителя и т. д. При разработке методов защиты от коррозии используют различные способы снижения скорости коррозии, которые выбираются в зависимости  от характера коррозии и условий  ее протекания. Выбор того или иного  способа определяется его эффективностью, а также экономической целесообразностью. Методы защиты металлов от коррозии различаются  по механизму защитного действия и по способу применения защиты.

По механизму  защитного действия методы защиты металлов от коррозии можно разделить на следующие:

- методы, тормозящие  преимущественно катодный процесс  (применение катодных ингибиторов,  уменьшение концентрации катодных  деполяризаторов в растворе, применение  электрохимической катодной защиты, снижение катодных включений  в сплаве);

- методы, тормозящие  преимущественно анодный процесс  (применение анодных ингибиторов  или пассиваторов, легирование сплава с целью повышения пассивности, применение анодной электрохимической защиты);

- методы, увеличивающие  омическое сопротивление системы  (применение изоляционных прокладок  между катодными и анодными  участками системы);

- методы, снижающие  термодинамическую нестабильность  коррозионной системы (покрытие  активного металла сплошным слоем  термодинамически устойчивого металла, легирование термодинамически нестабильного металла значительным количеством стабильного компонента, полная изоляция металла от коррозионной среды);

- смешанные  методы, т.е. методы, тормозящие одновременно  несколько стадий коррозионного  процесса.

Наиболее  эффективным методом защиты металлов от коррозии обычно является метод, который  преимущественно тормозит основную контролирующую стадию данного электрохимического коррозионного процесса.

Применение  методов защиты, уменьшающих степень  термодинамической неустойчивости системы, всегда в той или иной степени будет способствовать понижению  скорости коррозионного процесса.

При параллельном применении нескольких методов защиты металлов от коррозии, как правило, легче достичь более полной защиты, если все эти методы действуют  преимущественно на основную контролирующую стадию электрохимического коррозионного  процесса. Например, при уменьшении коррозии металла добавлением анодных  ингибиторов (пассиваторов) усиление эффекта защиты будет достигаться также введением катодных присадок в сплав или дополнительной анодной поляризацией.

По способу применения все методы защиты металлов от коррозии подразделяются на несколько групп.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.1 ВЫБОР КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ

 

Многообразие  физических и химических процессов  требует расширенного ассортимента конструкционных материалов в химическом машиностроении. В настоящее время для изготовления химических аппаратов применяются различные металлы и сплавы. Наибольшее применение нашли стали: углеродистые, хромистые, хромоникелевые, хромомарганцевые, хромоникельмолибденовые, высоколегированные аустенитные, корозионностойкие сплавы на никелевой основе, сплавы титана с молибденом, палладием, сплавы на основе свинца и меди и др. В последние годы разработан метод получения хромистых сталей с пониженным содержанием углерода, хромомарганцовистых сталей с пониженным содержанием никеля (до 4%) или совсем не содержащих никеля.

Также в химическом машиностроении нашли применение неметаллические  материалы на органической основе (пластмассы, углеграфитовые материалы каучуки, резины и др.), и неорганической основе (природные кислотоупорные, искусственные  плавленные силикатные, керамические и др.).

Под понятием коррозионностойкие металлы и сплавы понимают конструкционные материалы, которые в агрессивных коррозионных средах обладают достаточной коррозионной стойкостью и жаростойкостью и могут

быть использованы без специальных  средств противокоррозионной защиты.

При этом коррозионная стойкость конструкционного материала  заключается

не только в сохранении его основной массы, но и выполнении функциональных нагрузок самой металлической конструкцией [10].

В табл. 2.1. приведены  основные коррозионностойкие стали, применяемые в химической и нефтехимической промышленности.

Таблица 2.1.

 

По существующему  стандарту легирующие компоненты стали  обозначаются следующим образом: Cr – X, Ni – H, Mo – M, Cu – Д, Si – C, Mn – Г, Al – Ю, V – Ф, Ti – T, Nb – Б, N2 – A. Цифра после обозначения легирующего компонента означает его содержание в %, а цифра перед маркой стали – содержание углерода (%), увеличенное в 100 раз.

 

Алюминий  и его сплавы

Алюминий  имеет достаточно высокую устойчивость в воде, нейтральных и слабокислых  растворах, а также в атмосфере  вследствие большой склонности к  пассивации. Не только кислород воздуха  или кислород, растворенный в воде, но и сама вода являются по отношению  к алюминию пассиваторами. Пассивная пленка на алюминии (в отличие от титана) довольно легко разрушается под воздействием Cl-, Br-, F-, I—ионов, особенно в подкисленных растворах, а окислительные ионы типа хроматов или бихроматов, а также растворимые соли кремниевой кислоты и фторосиликаты являются сильными замедлителями коррозии алюминия. В HNO3 с повышением ее концентрации стойкость алюминия увеличивается. Это позволяет рассматривать алюминий как один из лучших материалов для хранения и транспортирования концентрированной HNO3. По стойкости он даже превосходит хромоникелевую сталь – это объясняется несклонностью алюминия к перепассивации [11].

 

 

7.2. ВЫБОР ХИМИЧЕСКИ-СТОЙКИХ НЕМЕТАЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Фторэпоксидное покрытие ФЛК-3 предназначено для длительной антикоррозионной защиты от воздействия агрессивных сред:

• технологического оборудования в химической и пищевой промышленности;
• систем питьевого холодного и горячего  водоснабжения;
• ёмкостей и трубопроводов, предназначенных для хранения и перекачки спирта, вино-водочных смесей, пива и безалкогольных напитков.