Что такое химическая коррозия и как ее устранить?

Газовая химическая коррозия

Эту разновидность причисляют к наиболее частым разрушающим процессам коррозии. Металл деформируется при взаимодействии с газами при влиянии повышенных температур. О чём сразу стоит подумать? Об арматуре, пошедшей на усиление печной кладки, арматурных стержнях присутствующих в двигателях, турбинах. Кроме этого, влияние сверхвысоких температур действует в момент обработки металлов, когда присутствует высокое давление. Во время нагревания перед прокаткой и штамповкой металлических изделий, при ковке, при термических и других схожих по типу изготовления процессах.

Скорость с которой развивается газовая химическая коррозия зависит от ряда показателей:

1. От атмосферной температуры;
2. От компонентов, содержащихся в металлическом сплаве или металле;
3. От параметров среды, в которой действуют газы;
4. От свойств, которыми обладают химические продукты, создающие коррозию.

Один из элементов в химии, защищающий металл от химической газовой коррозии — оксидная плёнка. Свойства и параметры, которые ей присущи позволяют ей считаться наиболее сильным защитным фактором, предупреждающим ржавление металлической поверхности. Окисление металла разделяют следующих друг за другом этапа:

1. Происходит процесс адсорбции. Молекулы кислорода концентрируются на поверхности металлического элемента на который воздействует внешняя среда.
2. Взаимодействие кислородных молекул с газом позволяет развиться разрушающей химической реакции, происходящей на поверхности металла. Оксидная плёнка затрудняет данный химический процесс проникновения металлических и кислородных реагентов друг к другу.

Оксидные плёнки классифицируются по трём разновидностям.

Они могут быть:

• тонкими (увидеть их можно только с помощью микроскопа);
• средними, образующими радужные цвета побежалости;
• толстыми, когда их видно невооруженными глазами.

У оксидной пленки есть защитные возможности тормозящие развитие химической коррозии. А иногда полностью останавливают возникновение ржавчины.

Какими темпами развивается химическая коррозия

Быстрота, с которой металл подвергается разрушению, напрямую связана с величиной температуры. Высокий уровень температуры ускоряет процессы окисления. Снижающийся нагрев не оказывает на данный процесс никакого влияния.

Металлы, на которые влияет газовая среда по-разному переносят её воздействие при соответствующей разнице температурных колебаний. Речь идёт о разности восприятия металлами компонентов газовой среды. Например, на медной поверхности коррозия образуется быстро, при контакте металла с кислородом. Если вместо кислорода источником воздействия является оксид серы, то медь становится устойчивой к химической коррозии. Совершенно наоборот обстоит дело с никелем. Влияние серного оксида для него губительно, а в кислородной среде или при воздействии диоксида углерода возникает устойчивость к коррозии.

По скорости образования химической коррозии в результате окислительной реакции, имеется зависимость от компонентов металлического сплава. Удачными в этом смысле сплавами являются соединения железа с кобальтом, медью, бериллием и титаном. Более устойчивым оказывается химическое соединение, создающее аустенитную структуру. Иначе говоря, высокотемпературное железо.

Дополнительным фактором, влияющим на быстроту образования химической коррозии, представляется состояние обработанной металлической поверхности. Если поверхность гладкая, то окисление проявляется медленнее. На неровной поверхности ржавление наступает быстрее.

Газовая коррозия

Самая частая разновидность химической коррозии — газовая — представляет собой коррозийный процесс, происходящий в газах при повышенных температурах. Указанная проблема характерна для работы многих типов технологического оборудования и деталей (арматуры печей, двигателей, турбин и т.д.). Кроме того, сверхвысокие температуры используются при обработке металлов под высоким давлением (нагревание перед прокаткой, штамповкой, ковкой, термическими процессами и т.д.).

Особенности состояния металлов при повышенных температурах обуславливаются двумя их свойствами — жаропрочностью и жаростойкостью. Жаропрочность — это степень устойчивости механических свойств металла при сверхвысоких температурах. Под устойчивостью механических свойств понимается сохранение прочности в течение продолжительного времени и сопротивляемость ползучести. Жаростойкость — это устойчивость металла к коррозионной активности газов в условиях повышенных температур.

Скорость развития газовой коррозии обуславливается рядом показателей, в числе которых:

• температура атмосферы,
• компоненты, входящие в металл или сплав,
• параметры среды, где находятся газы,
• продолжительность контактирования с газовой средой,
• свойства коррозийных продуктов.

На коррозийный процесс больше влияние оказывают свойства и параметры оксидной пленки, появившейся на металлической поверхности. Образование окисла можно хронологически разделить на два этапа:

• адсорбция кислородных молекул на металлической поверхности, взаимодействующей с атмосферой,
• контактирование металлической поверхности с газом, в результате чего возникает химическое соединение.

Первый этап характеризуется появлением ионной связи, как следствие взаимодействия кислорода и поверхностных атомов, когда кислородный атом отбирает пару электроном у металла. Возникшая связь отличается исключительной силой — она больше, нежели связь кислорода с металлом в окисле.

Объяснение такой связи кроется в действии атомного поля на кислород. Как только поверхность металла наполняется окислителем (а это происходит очень быстро), в условиях низких температур, благодаря силе Ван-дер-Ваальса, начинается адсорбция окислительных молекул. Результат реакции — возникновение тончайшей мономолекулярной пленки, которая с течением времени становится толще, что усложняет доступ кислорода.

На втором этапе происходит химическая реакция, в ходе которой окислительный элемент среды отбирает у металла валентные электроны. Химическая коррозия — конечный результат реакции.

Указанные выше методики подразделяются на две группы:

1. Повышение химической сопротивляемости и изолирование применяются до того, как металлоконструкция запускается в эксплуатацию.
2. Уменьшение агрессивности среды и электрохимическая защита используются уже в процессе применения изделия из металла. Применение этих двух методик дает возможность внедрять новые способы защиты, в результате которых защита обеспечивается изменением эксплуатационных условий.

Один из самых часто применяемых способов защиты металла — гальваническое антикоррозийное покрытие — экономически нерентабелен при значительных площадях поверхностей. Причина в высоких затратах на подготовительный процесс.

Ведущее место среди способов защиты занимает покрытие металлов лакокрасочными материалами. Популярность такого метода борьбы с коррозией обусловлена совокупностью нескольких факторов:

• высокие защитные свойства (гидрофобность, отталкивание жидкостей, невысокие газопроницаемость и паропроницаемость),
• технологичность,
• широкие возможности для декоративных решений,
• ремонтопригодность,
• экономическая оправданность.

В то же время, использование широкодоступных материалов не лишено недостатков:

• неполное увлажнение металлической поверхности,
• нарушенное сцепление покрытия с основным металлом, что ведет к скапливанию электролита под антикоррозийным покрытием и, таким образом, способствует коррозии,
• пористость, приводящая к повышенной влагопроницаемости.

И все же, окрашенная поверхность защищает металл от коррозийных процессов даже при фрагментарном повреждении пленки, тогда как несовершенные гальванические покрытия способны даже ускорять коррозию.

Экономический ущерб от коррозии

Коррозия ухудшает работу трубопроводов.

Экономические потери от коррозии металлов огромны. В США по последним данным NACE, ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней составили 3,1 % от ВВП (276 млрд долларов). В Германии этот ущерб составил 2,8 % от ВВП. По оценкам специалистов различных стран эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 4 % валового национального продукта. При этом потери металла, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций, изделий, оборудования, составляют от 10 до 20 % годового производства стали.

Обрушение Серебряного моста.

Ржавчина является одной из наиболее распространённых причин аварий мостов. Так как ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходная масса железа, её наращивание может привести к неравномерному прилеганию друг к другу конструкционных деталей. Это стало причиной разрушения моста через реку Мианус в 1983 году, когда подшипники кронштейна моста проржавели внутри. Три водителя погибли при падении в реку. Исследования показали, что сток дороги был перекрыт и не был почищен, а сточные воды проникли в опоры моста. Согласно исследованию Национального совета по безопасности на транспорте, разрушение моста было вызвано механической поломкой наружного кронштейна, удерживающего пролёт моста и его обоих штифтов. Ржавчина образовалась в подшипнике штифта. А так как её объём всегда гораздо больше, нежели исходная стальная деталь, это привело к неравномерному прилеганию друг к другу частей конструкции. В случае с мостом, ржавая масса отодвинула внутренний кронштейн от конца штифта, скрепляющего между собой наружный и внутренний кронштейны. (При этом возникло усилие, превышающее проектные пределы для зажимов, удерживающих штифты!) Из-за этого вся масса пролёта переместилась на внешний кронштейн. Эта дополнительная нагрузка на него вызвала усталостную трещину в штифте. Когда два тяжелых грузовика въехали в данную секцию моста, штифты окончательно вышли из строя, и пролёт моста упал в реку…

15 декабря 1967 года Серебряный мост, соединяющий Пойнт Плезант, штат Западная Виргиния, и Канауга, штат Огайо, неожиданно рухнул в реку Огайо. В момент обрушения 37 автомобилей двигались по мосту, и 31 из них упали вместе с мостом. Сорок шесть человек погибли, и девять серьёзно пострадали. Помимо человеческих жертв и травм, был разрушен основной транспортный путь между Западной Виргинией и Огайо. Причиной обрушения стала коррозия.
Мост Кинзу в Пенсильвании был разрушен в 2003 году от торнадо прежде всего потому, что центральные основные болты проржавели, существенно снизив его устойчивость.

Основные объекты коррозии

Неоднородные металлические участки хаотично расположены на поверхности изделия и зависят от технологии и качества их изготовления, поэтому коррозионные разрушения чаще носят локальный характер. Кроме этого, локальность корродирования зависит от неоднородности:

• защитных оксидных пленок;
• электролита;
• влияния внешних факторов (нагрева, облучения);
• внутренних напряжений, вызывающих неравномерную деформацию.

Сварные и заклепочные соединения являются яркими представителями контакта инородных металлов, подвергающихся активной электрохимической коррозии. Сварка и заклепка — самые распространенные технологии в конструкции неразъемных соединений во всех ведущих отраслях промышленности и крупных трубопроводных системах:

• машиностроение;
• судостроение;
• нефтепроводы;
• газопроводы;
• водопроводы.

Наиболее значительные разрушения сварных швов и заклепочных соединений возникают в морской воде, присутствие соли в которой, значительно ускоряет процесс коррозии.

Катастрофическая ситуация сложилась в 1967 году с рудовозом «Анатина», когда морская вода от высоких штормовых волн попала в трюмы корабля. Медные конструкции во внутренней отделке трюмов и стальной корпус способствовали созданию коррозионного элемента в электролите из морской воды. Скоротечная электрохимическая коррозия вызвала размягчение корпуса судна и создание аварийной ситуации, вплоть до эвакуации команды.

Положительный эффект от электрохимической коррозии встречается очень редко. Например, при монтаже новых труб в системах горячего отопления жилых домов. Резьбовые соединения муфт начинают течь при первичном пуске до тех пор, пока продукты коррозии, состоящие из гидратированного железа, не заполнят микропоры в резьбе.

Вне зависимости от вида коррозии, химической или электрохимической, ее последствия одинаковые — разрушение изделий огромной стоимости. Причем помимо прямых потерь от пришедших в негодность материалов, существуют косвенные потери, связанные с утечками продуктов, простоями при замене негодных материалов и деталей, нарушении регламентов технологических процессов.

Коррозия неметаллических материалов

По мере ужесточения условий эксплуатации (повышение температуры, механических напряжений, агрессивности среды и др.) и неметаллические материалы подвержены действию среды. В связи с чем термин «коррозия» стал применяться и по отношению к этим материалам, например «коррозия бетонов и железобетонов», «коррозия пластмасс и резин». При этом имеется в виду их разрушение и потеря эксплуатационных свойств в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Но следует учитывать, что механизмы и кинетика процессов для неметаллов и металлов будут разными.

Виды коррозии

Как уже говорилось, критериев классификация коррозионных процессов существует множество. Так, различают коррозию по виду распространения (сплошная, местная), по типу коррозионной среды (газовая, атмосферная, жидкостная, почвенная), по характеру механических воздействий (коррозионное растрескивание, явление Фреттинга, кавитационная коррозия) и так далее.

Но основным способом классификации коррозии, позволяющим наиболее полно объяснить все тонкости этого процесса, является классификация по механизму протекания.

По этому критерию различают два вида коррозии:

• химическую
• электрохимическую

Химическая коррозия

Химическая коррозия отличается от электрохимической тем, что протекает в средах, не проводящих электрический ток. Поэтому при такой коррозии разрушение металла не сопровождается возникновением электрического тока в системе. Это обычное окислительно-восстановительное взаимодействие металла с окружающей средой.

Наиболее типичным примером химической коррозии является газовая коррозия. Газовую коррозию еще называют высокотемпературной, поскольку обычно она протекает при повышенных температурах, когда возможность конденсации влаги на поверхности металла полностью исключена. К такому виду коррозии можно отнести, например, коррозию элементов электронагревателей или сопел ракетных двигателей.

Скорость химической коррозии зависит от температуры — при ее повышении коррозия ускоряется. Из-за этого, например, в процессе производства металлического проката, во все стороны от раскаленной массы разлетаются огненные брызги. Это с поверхности металла скалываются частички окалины.

Окалина — типичный продукт химической коррозии, — оксид, возникающий в результате взаимодействия раскаленного металла с кислородом воздуха.

Помимо кислорода и другие газы могут обладать сильными агрессивными свойствами по отношению к металлам. К таким газам относятся диоксид серы, фтор, хлор, сероводород. Так, например, алюминий и его сплавы, а также стали с высоким содержанием хрома (нержавеющие стали) устойчивы в атмосфере, которая содержит в качестве основного агрессивного агента кислород. Но картина кардинально меняется, если в атмосфере присутствует хлор.

В документации к некоторым антикоррозионным препаратам химическую коррозию иногда называют «сухой», а электрохимическую — «мокрой». Однако химическая коррозия может протекать и в жидкостях. Только в отличие от электрохимической коррозии эти жидкости — неэлектролиты (т.е. не проводящие электрический ток, например спирт, бензол, бензин, керосин).

Примером такой коррозии является коррозия железных деталей двигателя автомобиля. Присутствующая в бензине в качестве примесей сера взаимодействует с поверхностью детали, образуя сульфид железа. Сульфид железа очень хрупок и легко отслаивается, освобождая свежую поверхность для дальнейшего взаимодействия с серой. И так, слой за слоем, деталь постепенно разрушается.

Электрохимическая коррозия

Если химическая коррозия представляет собой не что иное, как простое окисление металла, то электрохимическая — это разрушение за счет гальванических процессов.

В отличие от химической, электрохимическая коррозия протекает в средах с хорошей электропроводностью и сопровождается возникновением тока. Для «запуска» электрохимической коррозии необходимы два условия: гальваническая пара и электролит.

В роли электролита выступает влага на поверхности металла (конденсат, дождевая вода и т.д.). Что такое гальваническая пара? Чтобы понять это, вернемся к ряду активности металлов.

Смотрим. Cлева расположены более активные металлы, справа — менее активные.

Если в контакт вступают два металла с различной активностью, они образуют гальваническую пару, и в присутствии электролита между ними возникает поток электронов, перетекающих от анодных участков к катодным. При этом более активный металл, являющийся анодом гальванопары, начинает корродировать, в то время как менее активный коррозии не подвергается.

Схема гальванического элемента

Для наглядности рассмотрим несколько простых примеров.

Допустим, стальной болт закреплен медной гайкой. Что будет корродировать, железо или медь? Смотрим в ряд активности. Железо более активно (стоит левее), а значит именно оно будет разрушаться в месте соединения.

Стальной болт — медная гайка (корродирует сталь)

А если гайка алюминиевая? Снова смотрим в ряд активности. Здесь картина меняется: уже алюминий (Al), как более активный металл, будет терять электроны и разрушаться.

Таким образом, контакт более активного «левого» металла с менее активным «правым» усиливает коррозию первого.

Электрохимическая коррозия металлов

Электрохимическая коррозия металлов – это процесс разрушения металлов в среде различных электролитов, который сопровождается возникновением внутри системы электрического тока.

При таком типе коррозии атом удаляется из кристаллической решетки результате двух сопряженных процессов:

• Анодного – металл в виде ионов переходит в раствор.
• Катодного – образовавшиеся при анодном процессе электроны, связываются деполяризатором (вещество — окислитель).

Сам процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией, а вещества способствующие отводу – деполяризаторами.

Наибольшее распространение имеет коррозия металлов с водородной и кислородной деполяризацией.

Водородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в кислой среде

2H + +2e — = H₂разряд водородных ионов

Кислородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в нейтральной среде

O₂ + 4H + +4e — = H₂O восстановление растворенного кислорода

Все металлы, по их отношению к электрохимической коррозии, можно разбить на 4 группы, которые определяются величинами их стандартных электродных потенциалов:

1. Активные металлы (высокая термодинамическая нестабильность) – это все металлы, находящиеся в интервале щелочные металлы — кадмий (Е 0 = -0,4 В). Их коррозия возможна даже в нейтральных водных средах, в которых отсутствуют кислород или другие окислители.
2. Металлы средней активности (термодинамическая нестабильность) – располагаются между кадмием и водородом (Е 0 = 0,0 В). В нейтральных средах, в отсутствии кислорода, не корродируют, но подвергаются коррозии в кислых средах.
3. Малоактивные металлы (промежуточная термодинамическая стабильность) – находятся между водородом и родием (Е 0 = +0,8 В). Они устойчивы к коррозии в нейтральных и кислых средах, в которых отсутствует кислород или другие окислители.
4. Благородные металлы (высокая термодинамическая стабильность) – золото, платина, иридий, палладий. Могут подвергаться коррозии лишь в кислых средах при наличии в них сильных окислителей.

Электрохимическая коррозия может протекать в различных средах. В зависимости от характера среды выделяют следующие виды электрохимической коррозии:

• Коррозия в растворах электролитов — в растворах кислот, оснований, солей, в природной воде.
• Атмосферная коррозия – в атмосферных условиях и в среде любого влажного газа. Это самый распространенный вид коррозии.

Например, при взаимодействии железа с компонентами окружающей среды, некоторые его участки служат анодом, где происходит окисление железа, а другие – катодом, где происходит восстановление кислорода:

А: Fe – 2e — = Fe 2+

Катодом является та поверхность, где больше приток кислорода.

• Почвенная коррозия – в зависимости от состава почв, а также ее аэрации, коррозия может протекать более или менее интенсивно. Кислые почвы наиболее агрессивны, а песчаные – наименее.
• Аэрационная коррозия — возникает при неравномерном доступе воздуха к различным частям материала.
• Морская коррозия – протекает в морской воде, в связи с наличием в ней растворенных солей, газов и органических веществ.
• Биокоррозия – возникает в результате жизнедеятельности бактерий и других организмов, вырабатывающих такие газы как CO₂, H₂S и др., способствующие коррозии металла.
• Электрокоррозия – происходит под действием блуждающих токов на подземных сооружениях, в результате работ электрических железных дорог, трамвайных линий и других агрегатов.

Органосиликатные покрытия

Для качественной защиты от коррозии рекомендуется применение металлов с высоким уровнем гидрофобности, непроницаемости в водных, газовых и паровых средах. К числу таких материалов относятся органосиликаты.

Химическая коррозия практически не распространяется на органосиликатные материалы. Причины этого кроются в повышенной химической устойчивости таких композиций, их стойкости к свету, гидрофобных качествах и невысоком водопоглощении. Также органосиликаты устойчивы к низким температурам, обладают хорошими адгезивными свойствами и износостойкостью.

Проблемы разрушения металлов из-за воздействия коррозии не исчезают, несмотря на развитие технологий борьбы с ними. Причина в постоянном возрастании объемов производства металлов и все более сложных условий эксплуатации изделий из них. Окончательно решить проблему на данном этапе нельзя, поэтому усилия ученых сосредоточены на поисках возможностей по замедлению коррозионных процессов.

Олово и цинк. «Опасные» и «безопасные покрытия

Возьмем еще пример. Допустим, кузовная панель покрыта оловом. Олово — очень стойкий к коррозии металл, кроме того, оно создает пассивный защитный слой, ограждая железо от взаимодействия с внешней средой. Значит, железо под слоем олова находится в целости и сохранности? Да, но только до тех пор, пока слой олова не получит повреждение.

А когда такое случается, между оловом и железом тут же возникает гальваническая пара, и железо, являющееся более активным металлом, под воздействием гальванического тока начнет корродировать.

Кстати, в народе до сих пор ходят легенды о якобы «вечных» луженых кузовах «Победы». Корни этой легенды таковы: ремонтируя аварийные машины, мастера использовали паяльные лампы для нагрева. И вдруг, ни с того ни с сего, из-под пламени горелки начинает «рекой» литься олово! Отсюда и пошла молва, что кузов «Победы» был полностью облужен.

На самом деле все гораздо прозаичнее. Штамповая оснастка тех лет была несовершенной, поэтому поверхности деталей получались неровными. Вдобавок тогдашние стали не годились для глубокой вытяжки, и образование морщин при штамповке стало обычным делом. Сваренный, но еще не окрашенный кузов приходилось долго готовить. Выпуклости сглаживали наждачными кругами, а вмятины заполняли оловяным припоем, особенно много которого было вблизи рамки ветрового стекла. Только и всего.

Ну, а так ли «вечен» луженый кузов, вы уже знаете: он вечен до первого хорошего удара острым камешком. А их на наших дорогах более чем достаточно.

А вот с цинком картина совсем другая. Здесь, можно сказать, мы бьем электрохимическую коррозию ее же оружием. Защищающий металл (цинк) в ряду напряжений стоит левее железа. А значит при повреждении будет разрушаться уже не сталь, а цинк. И только после того, как прокорродирует весь цинк, начнет разрушаться железо. Но, к счастью, корродирует он очень и очень медленно, сохраняя сталь на долгие годы.

а) Коррозия луженой стали: при повреждении покрытия разрушается сталь. б) Коррозия оцинкованной стали: при повреждении покрытия разрушается цинк, защищая от коррозии сталь.

Покрытия, выполненные из более активных металлов называются «безопасными«, а из менее активных — «опасными«. Безопасные покрытия, в частности оцинковка, давно и успешно применяются как способ защиты от коррозии автомобильных кузовов.

Почему именно цинк? Ведь помимо цинка в ряду активности относительно железа более активными являются еще несколько элементов. Здесь подвох вот в чем: чем дальше в ряду активности находятся друг от друга два металла, тем быстрее разрушение более активного (менее благородного). А это, соответственно, сокращает долговечность антикоррозионной защиты

Так что для автомобильных кузовов, где помимо хорошей защиты металла важно достичь и продолжительного срока действия этой защиты, оцинковка подходит как нельзя лучше. Тем более, что цинк доступен и недорог

Кстати, а что будет, если покрыть кузов, например, золотом? Во-первых, будет ох как дорого!  Но даже если золото стало бы самым дешевым металлом, такого делать нельзя, поскольку оно окажет нашей «железке» плохую услугу.

Золото ведь стоит очень далеко от железа в ряду активности (дальше всего), и при малейшей царапине железо вскоре превратится в груду ржавчины, покрытую золотой пленкой.

Автомобильный кузов подвергается воздействию как химической, так электрохимической коррозии. Но главная роль все же отводится электрохимическим процессам.

Ведь, чего греха таить, гальванических пар в автомобильном кузове много: это и сварные швы, и контакты разнородных металлов, и посторонние включения в листовом прокате. Не хватает только электролита, чтобы «включить» эти гальванические элементы.

А электролит тоже найти легко — хотя бы влага, содержащаяся в атмосфере.

Кроме того, в реальных условиях эксплуатации оба вида коррозии усиливаются множеством других факторов. Поговорим о главных из них поподробнее.