Пособие по Коррозии. Учебное пособие _Коррозия и защита оборудования от коррозии _. Учебное пособие Коррозия и защита оборудования от коррозии 2013 г. Закирова Е. В. Преподаватель спецдисциплин

• Название: Учебное пособие Коррозия и защита оборудования от коррозии 2013 г. Закирова Е. В. Преподаватель спецдисциплин
• Анкор: Пособие по Коррозии
• Дата: 10.04.2023
• Размер: 0.59 Mb.
• Имя файла: Учебное пособие _Коррозия и защита оборудования от коррозии _.docx
• Тип: Учебное пособие; #1052093
• страница: 10 из 11

10 ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ УМЕНЬШЕНИЕМ

АГРЕССИВНОСТИ КОРРОЗИОННОЙ СРЕДЫ
Снижение коррозионной активности среды может быть осуществлено двумя способами:

- удалением из агрессивной среды компонентов, вызывающих коррозию металлов;

- введением в агрессивную среду специальных веществ, которые вызывают значительное снижение скорости коррозионного процесса. Такие вещества называют замедлителями, или ингибиторами, коррозии.
10.1 Обработка коррозионной среды
Обработка коррозионной среды для снижения ее агрессивности осуществляется уменьшением в ней содержания деполяризатора. В растворах электролитов это достигается путем снижения содержания ионов водорода или удаления кислорода. В кислых растворах, вызывающих коррозию с водородной деполяризацией, повышают рН раствора, т.е. уменьшают концентрацию ионов водорода. В нейтральных растворах, вызывающих коррозию с кислородной деполяризацией, снижают содержание кислорода в электролите химическим, термическим, десорбционным способами. При нагревании воды или раствора электролита вследствие уменьшения растворимости кислорода происходит его удаление из агрессивной среды. Пропускание через раствор инертного газа также способствует снижению содержания кислорода в растворе. При химической обработке воды в нее добавляют восстановители, которые связывают растворённый кислород. К таким восстановителям относятся гидразин, сульфит натрия и др.

Удалить кислород из воды можно также пропусканием ее через слои железных стружек. При этом при температуре около 85°С происходит окисление железа.

Уменьшение агрессивности газовой среды сводится к изменению ее состава и созданию атмосферы, исключающей термодинамическую возможность протекания химической реакции взаимодействия металла с компонентами газовой среды.

При воздействии на железоуглеродистые стали газов, содержащих окислители, кислород и его соединения, при высоких температурах на поверхности металла происходит реакция между цементитом и этими газами

Fe₃C + O₂ = 3Fe + CO₂

В результате этой реакции поверхностный слой обедняется углеродом. Обезуглероживание ведет к изменению механических свойств: уменьшается поверхностная твердость и понижается предел усталости. При наличии водорода в газовой среде при высоких температурах и давлении наблюдается коррозия, которая резко снижает механические свойства конструкционных железоуглеродистых сталей.

Для снижения агрессивности среды в нее вводят компоненты, которые не вызывают окисления, обезуглероживания и наводороживания. Расчет состава защитной атмосферы для металлов и сплавов проводят с использованием констант равновесия, устанавливающихся в системе металл-газ. Для создания защитных атмосфер разработано несколько газовых смесей:

— водород-водяной пар-азот;

— водород-водяной пар-оксид углерода-азот;

— водород-водяной пар-азот-оксид углерода-диоксид углерода;

— азот-оксид углерода-водород.

В ряде случаев термическую обработку нержавеющих сталей проводят в вакууме или в атмосфере аргона.

Для снижения скорости атмосферной коррозии металла изделия помещают в герметичные чехлы из полиэтиленовой пленки, внутри которых создают атмосферу с относительной влажностью воздуха ниже критической (60%) за счет применения осушителей (силикагель). В искусственно созданной сухой атмосфере коррозионные процессы протекают очень медленно.
10.2 Ингибиторы коррозии
Характеристика ингибиторов

Замедлителями, или ингибиторами, коррозии называют вещества, введение небольших количеств которых в коррозионную среду значительно снижает скорость коррозии. Уменьшение электрохимической коррозии при введении замедлителя может произойти вследствие торможения анодного или катодного процесса, воздействия на оба процесса или увеличения сопротивления системы при образовании на металлической поверхности пленки, обладающей пониженной электропроводностью.

Один из методов изучения механизма действия замедлителей коррозии–построение поляризационных кривых. Торможение ингибитором одной из стадий коррозионного процесса вызывает увеличение поляризации соответствующего процесса. Сравнение поляризационных кривых, полученных для данного металла в растворе с ингибитором и без него, позволяет выяснить, какой процесс преимущественно тормозится при введении данного замедлителя. По составу ингибиторы коррозии подразделяются на неорганические и органические.

По условиям, в которых они применяются, их можно разделить на ингибиторы для растворов и летучие ингибиторы, дающие защитный эффект в условиях атмосферной коррозии. Так как эффективность действия ингибитора зависит от рН среды, то ингибиторы подразделяются на кислотные, щелочные и ингибиторы для нейтральных сред. Замедлители наиболее часто применяют для борьбы с коррозией в системах с ограниченным объемом раствора и с атмосферной коррозией металла. Замедлители кислотной коррозии находят широкое применение в процессах удаления с изделий окалины или ржавчины.

По механизму своего действия на процесс электрохимической коррозии ингибиторы подразделяют на анодные, катодные и экранирующие, т. е. изолирующие активную поверхность металла. Механизм действия большинства ингибиторов заключается в адсорбции ингибитора на корродирующей поверхности с последующим торможением катодных и анодных процессов.

Анодные ингибиторы коррозии

Анодные ингибиторы коррозии (в первую очередь окислители) большей частью обладают пассивирующими свойствами. Принцип торможения коррозии анодными замедлителями сводится к снижению скорости перехода ионов металла в раствор или к уменьшению площади анодных участков коррозионного элемента за счет изоляции их образовавшимися нерастворимыми пленками.

Такие окислители, как хроматы и бихроматы, сильно пассивируют железо, алюминий, цинк, медь. Достаточно добавить в водопроводную воду 0,1% бихромата калия, чтобы резко снизить скорость коррозии углеродистой стали и алюминия.

К анодным ингибиторам относятся также нитриты и нитраты. Нитрит натрия значительно уменьшает скорость коррозии стали в растворах ряда солей, а также в морской воде. При необходимости длительного хранения стальных деталей их рекомендуется упаковывать в бумагу, пропитанную 10- 15% раствором нитрита натрия.

Известны также анодные ингибиторы коррозии вторичного действия, образующие на анодных участках корродирующей поверхности металла нерастворимые продукты коррозии с ингибитором. К числу таких замедлителей коррозии углеродистой стали относятся гидроксид натрия, карбонат натрия, которые образуют на поверхности нерастворимый слой гидроксида, а также фосфатные соли, которые, в свою очередь, образуют нерастворимые фосфаты железа.

Однако анодные замедлители коррозии – окислители в некоторых случаях (например при низкой концентрации ингибитора) могут стимулировать коррозионный процесс, становясь катодными ускорителями коррозии.

Катодные ингибиторы коррозии

Катодные замедлители уменьшают скорость электрохимической коррозии за счет снижения интенсивности катодного процесса или сокращения площади катодных участков.

Торможение катодного процесса основано на снижении содержания кислорода в растворе электролита с целью уменьшения скорости коррозии металла с кислородной деполяризацией, или на затруднении протекания катодного процесса. К числу катодных ингибиторов относятся следующие:

— Катодные замедлители – поглотители кислорода. Их действие основано на уменьшении содержания кислорода в растворе и, следовательно,

скорости коррозии . К ним относятся сульфит натрия, гидразин и др.

— Катодные замедлители, повышающие перенапряжение выделения

водорода при катодной реакции. В процессах коррозии металлов торможение катодной реакции восстановления водорода достигается путем повышения перенапряжения выделения водорода при добавлении в раствор солей некоторых тяжелых металлов (соли висмута, сурьмы), катионы которых, восстанавливаясь на катодных участках, повышают перенапряжение выделения водорода.

— Катодные замедлители, экранирующие площадь катодных участков. Сокращение площади катодных участков достигается образованием нерастворимых соединений в виде изолирующего защитного слоя. По отношению к железу такими замедлителями являются бикарбонат кальция, сульфат цинка, хлорид бария. Выделяющийся на катодных участках нерастворимый карбонат кальция экранирует металл. Органические ингибиторы, адсорбируясь на катодных участках поверхности, также повышают перенапряжение выделения водорода (желатин, клей, декстрин и др.). Катодные замедлители коррозии металлов совершенно безопасны, так как они никогда не приводят к увеличению скорости коррозии.

Летучие ингибиторы атмосферной коррозии

В последние годы широко применяются летучие, или парофазные, ингибиторы, которые используются для защиты машин, аппаратов и других изделий во время их эксплуатации в воздушной атмосфере.

Летучие ингибиторы вводятся в контейнеры или в упаковочные материалы. Благодаря достаточно высокому давлению паров летучие ингибиторы достигают границы раздела металл – воздух и растворяются в пленке влаги, покрывающей металл. В качестве летучих ингибиторов обычно используются амины с небольшой молекулярной массой, в которые вводятся нитраты или карбонаты.

Недостатком летучих ингибиторов коррозии является прекращение их защитного действия после удаления их паров из атмосферы, окружающей металл.

11 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА

Классификация защиты подземных сооружений

Защита подземных сооружений подразделяется на пассивную, активную и комплексную.

К пассивной защите относятся изоляция сооружений от контакта с окружающим грунтом защитными покрытиями и ограничение влияния блуждающих токов. К активной защите относятся создание защитного потенциала сооружения по отношению к окружающей среде. При комплексной защите одновременно применяют пассивную и активную защиты. Такая защита включает в себя и пассивную защиту в виде защитных

покрытий сооружений, и одновременно активную, т.е. электрохимическую, защиту с применением ингибиторов коррозии и обработки почвы.

Защитные неметаллические покрытия должны удовлетворять следующим требованиям:

- обладать высокими диэлектрическими свойствами и быть химически стойкими;

- быть сплошными и иметь хорошую адгезию к металлу;

- обладать устойчивостью к воздействию климатических факторов, сохранять защитные свойства при отрицательных и положительных температурах и др.

Покрытия классифицируются по ГОСТ 9.602−89 на весьма усиленныеи усиленные. Покрытия весьма усиленного типа применяют для защиты подземных трубопроводов, расположенных в населенных пунктах. Покрытия усиленного типа используют, как правило, на магистральных трубопроводах.

В зависимости от используемых материалов покрытия могут быть мастичные и полимерные. К мастичным покрытиям относятся битумные и каменноугольные, к полимерным – экструдированные из расплава, сплавляемые на трубах из порошков, накатываемые на трубы из липких изоляционных лент.

Защитные свойства покрытий со временем снижаются в результате

воздействия на них почвенного электролита и катодной поляризации при электрохимической защите.

К активной защите относится электрохимическая защита, осуществляемая принудительной поляризацией. Электрохимическую защиту подразделяют на электродренажную, протекторную, катодную и анодную.
Электродренажная защита
Дренажная защита - это способ защиты от коррозии блуждающими токами. Она заключается в вынужденной катодной поляризации путем отвода блуждающих токов от защищаемого сооружения к источнику этих токов. Это наиболее эффективная защита от блуждающих токов. Сущность процесса состоит в устранении анодных зон на подземных сооружениях. Защита увеличивается отводом (дренажем) блуждающих токов с участков анодных зон сооружения, например, в рельсовую часть цепи электротяги, имеющей отрицательный (или знакопеременный) потенциал, или на отрицательную сборную шину тяговых подстанций. При этом катодные зоны в местах входа блуждающих токов в сооружение сохраняются.

Электрический дренаж работает только в том случае, когда разность потенциалов "сооружение - рельсы" положительна. Дренажная защита будет работать тогда, когда падение напряжения в дренажном кабеле меньше разности потенциалов "сооружение - рельсы". Поэтому такой метод оправдан, когда подземное сооружение находится вблизи электрической железной дороги. Электродренажную защиту осуществляют с помощью установок прямого, поляризованного и усиленного дренажа.

Прямой электрический дренаж − наиболее простой метод защиты (рис. 11.1). Подземное сооружение соединяется с рельсом через реостат для регулирования дренирующего тока.



Рис. 11.1 Схема прямого электрического дренажа: 1 – трубопровод; 2 – рубильник; 3 – амперметр; 4 – регули-

руемое сопротивление; 5 – предохранитель; 6 – сигнальное реле; 7 - рельс
Этот метод применяется в том случае, когда потенциал сооружения Е_с постоянно положительнее потенциала рельса Е_рл, куда отводится блуждающий ток. Поляризованный дренаж отличается от прямого электродренажа односторонней проводимостью и применяется в тех случаях, когда потенциал сооружения Е_с по отношению к потенциалам рельсов Е_рл и земли Е_з более положительный или знакопеременный, т.е. направление блуждающих токов меняется.

Рис. 11.2 Схема поляризованного электрического дренажа: 1 – трубопровод; 2 – рубильник; 3 – амперметр; 4 – регулируемое сопротивление; 5 – предохранитель; 6 – сигнальное реле; 7 – рельс; 8 – диод
На рис. 11.2 показан один из вариантов схем поляризованного электрического дренажа. Вследствие своей односторонней проводимости поляризованный дренаж препятствует обратному прохождению тока с рельсов в защищаемое сооружение при превышении потенциала рельсов по отношению к потенциалу сооружения, т.е. когда ток рельсов более положительный, чем ток сооружения.

Для защиты сооружений, расположенных в зоне влияния переменных блуждающих токов, используют поляризованное дренажное устройство с дополнительным диодом и емкостью в электрической схеме и токоотводом

(рис.11.3).



Рис. 11.3 Защитное устройство в зоне влияния блуждающих токов: 1 – трубопровод; 2 – рубильник; 3 – амперметр;4 – регулируемое сопротивление; 5 – предохранитель; 6 – сигнальное реле; 7 – рельс; 8 – диод; 9 – емкость; 10 –вспомогательный электрод
В этом случае сооружение поляризуется постоянно, даже в момент положительных значений потенциалов рельсов. Устройство позволяет осуществлять электрическую защиту подземных сооружений за счет накопления энергии блуждающих токов с помощью емкости, включенной на напряжение утечки "рельс - сооружение" при отрицательных потенциалах рельсов и разряда емкости на защищаемое сооружение при положительных потенциалах рельсов.

Усиленный электродренаж используют, когда уровень отрицательного потенциала источника блуждающих токов недостаточен для обеспечения потенциала на защищаемом сооружении в пределах нормированного. Усиленный дренаж используют при положительном или знакопеременном по отношению к земле потенциале сооружения, что обусловлено действием нескольких источников блуждающих токов.



Рис. 11.4 Схема усиленного электрического дренажа: 1 – трубопровод; 2 – рубильник; 3 – амперметр; 4 – регулируемое сопротивление; 5 – предохранитель; 6 – сигнальное реле; 7 – рельс; 8 – диод; 9 - емкость
Усиленный дренаж (рис. 11.4) – это комбинация вентильной электродренажной установки и станции катодной защиты. Назначение усиленного дренажа - создание защитного отрицательного потенциала на сооружении в момент, когда участок рельсового пути приобретает потенциал более положительный, чем потенциал сооружения, за счет дополнительной подачи электронов. Усиленные дренажи имеют следующие преимущества по сравнению с другими видами дренажа:

- более широкая регулировка защитного потенциала;

- снижение сечения дренажного кабеля.

Однако усиленный дренаж имеет недостатки. В случае достаточной эффективности электродренажа работа дополнительного источника тока вызывает непроизводительные затраты электроэнергии.
Протекторная защита
Протекторная защита – способ защиты сооружения принудительной катодной поляризацией с помощью подключения к нему электродов из металла, обладающего в данной среде более отрицательным потенциалом, чем потенциал металла сооружения.

Протекторная защита – это разновидность катодной защиты, не требующая внешнего источника тока. Необходимый для защиты электродный поляризационный ток создает электрохимический элемент, в котором роль катода играет металл защищаемого сооружения, а роль анода - более электроотрицательный металл (магний, цинк и их сплавы).

На рис.11.5 приведена схема протекторной защиты. В процессе работы электрохимического элемента цинковый анод как более отрицательный будет окисляться, т.е. растворяться, посылая избыток электронов на катод, т.е. защищаемое изделие.


Рис. 11.5 Схема протекторной защиты: МА – микроанод, МК – микрокатод.
На защищаемом изделии (катоде) при работе короткозамкнутого коррозионного элемента идут два процесса:

− за счет избытка электронов на изделии идет подавление работы микроанода из-за катодной поляризации;

− на микрокатоде и на всей поверхности идет процесс ионизации кислорода или восстановления ионов водорода, таким образом, коррозия металла прекращается.



Рис. 11.6 Установка протекторной защиты: 1 – трубопровод; 2 – контакт; 3 – контрольно-измерительная колонка; 4 – изолированный провод; 5 – протектор; 6 – активатор; 7 – насыпной грунт
На рис. 11.6 представлена установка протекторной защиты. Так как электроотдача одного протектора невелика, то иногда приходится располагать рядом несколько протекторов. Для их изготовления используют сплавы на основе магния, цинка или алюминия, у которых более отрицательный потенциал, чем у железа. Лучший эффект в почвенных условиях имеют магниевые сплавы. Наиболее распространенные протекторы − НМ5У, ПМ10У, ПМ20У. Внутри анода помещен контактный стальной стержень для подключения к протектору кабеля.

В ряде случаев применяют комплексные протекторы с активаторами (ПМ5У), которые представляют собой магниевые аноды, упакованные в хлопчатобумажные мешки вместе с порошкообразным активатором. Активатор - смесь солей, в которую помещен анод с целью повышения эффективности протекторной установки. Наличие активатора уменьшает анодную поляризацию, т.е. увеличивает ток, снижает сопротивление растеканию тока с протектора, устраняет причины, способствующие образованию плотных слоев продуктов коррозии на поверхности протектора. Активатор обеспечивает стабильный во времени ток в цепи "протектор - сооружение" и более высокий КПД. Наиболее распространен активатор, представляющий собой порошкообразную смесь следующего состава (%): сульфат натрия гранулированный - 25;

сульфат кальция - 25;

глина бентонитовая - 50.

Стационарный потенциал комплексных протекторов типа ПМУ составляет -1,6 В относительно медносульфатного электрода сравнения. Токоотдача протектора составляет 2332 А⋅ч/кг. Применяют также протяженные прутковые протекторы (ПМИ), представляющие собой биметаллический пруток с оболочкой из магниевого сплава и стальным оцинкованным контактным стержнем диаметром 4 мм, проходящим по центру прутка. Протекторы выпускаются длиной до 1000 м. Условия применения протекторной защиты зависят от внешних факторов, степени оголенности металла защищаемого сооружения, наличия блуждающих токов и параметров, определяющих свойства грунтов.

Протекторную защиту в основном применяют для защиты от почвенной коррозии. Рекомендуется также ее применять в комплексе с катодной защитой на трубопроводах для расширения зоны катодной поляризации.

Протекторная защита эффективна при удельном сопротивлении грунта с активатором не более 50 Ом⋅м.

Расстояние от протектора до защищаемого изделия составляет от 3 до 7 м, так как более близкое размещение протекторов может привести к повреждению изоляционного покрытия солями растворяющегося протектора.

В ряде случаев применяют поляризованные протекторы, которые представляют собой обычные протекторы, подключаемые к защищаемому сооружению с помощью полупроводниковых диодов, пропускающих ток только в направлении от сооружения к протектору.