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
 Скачать 0.59 Mb.
|
|
Внешние факторы коррозии К внешним факторам электрохимической коррозии металлов относятся: состав коррозионной среды, ее кислотность, температура, скорость движения жидкости, ингибиторы и стимуляторы коррозии и др. Влияние кислотности среды на скорость коррозии металлов определяется или непосредственным участием ионов водорода в электродном процессе, или их способностью влиять на растворимость продуктов коррозии, или возможностью образовывать защитные оксидные пленки при изменении рН раствора. Скорость электрохимической коррозии металлов в растворах солей зависит от природы соли и ее концентрации. Водные растворы гидролизующихся солей влияют на скорость коррозионного процесса увеличением рН раствора (например карбонат натрия) или уменьшением его (например хлорид аммония). Некоторые соли могут образовывать с первичным катодным или анодным продуктом коррозии металла пленку труднорастворимого соединения (например пленки фосфорнокислого железа на железе в растворах фосфорнокислой соли), что приводит к снижению скорости коррозии. Растворы солей, обладающих окислительными свойствами, повышают скорость электрохимической коррозии металлов, но если они пассивируют металл, то скорость коррозии значительно снижается. Анионы ряда солей разрушают пленку, что приводит к повышению скорости коррозии. Если в растворе присутствуют хлориды или сульфаты, то скорость коррозии до некоторой концентрации соли в растворе возрастает, а затем постепенно уменьшается. При введении в воду небольших количеств хлоридов наблюдается увеличение скорости коррозии, что объясняется активирующим действием ионов хлора на анодный процесс. Последующее снижение коррозии стали объясняется уменьшением растворимости кислорода с повышением концентрации соли в растворе. Ионы, присутствующие в коррозионной среде, подразделяются на активаторы и ингибиторы (замедлители) коррозии. Ионы-активаторы бывают анионного и катионного типов. Анионыактиваторы (Cl−, Br−, F−) разрушают пассивную пленку или препятствуют ее возникновению, а также облегчают ионизацию металла, связывая ионы металла в комплексы. Катионы-активаторы – это ионы металлов, имеющих переменную валентность, например ионы двух- и трехвалентного железа. Эти ионы, имея высшую степень окисления, участвуют в катодном процессе, принимая электроны, а имея низшую степень окисления, могут взаимодействовать, например, с кислородом: 4Me(z-1)+ + O2+ 4H+ →→ 4Mez+ + 2H2O. Растворимость ионов металлов в агрессивной среде значительная, поэтому они могут существенно ускорять катодный процесс. Вещества, добавление которых в раствор в относительно небольших количествах приводит к значительному снижению скорости коррозии, называются ингибиторами или замедлителями коррозии. Замедлители коррозии нашли широкое применение в химической промышленности, в системах, работающих с малообновляемым объемом раствора (системы охлаждения, паровые котлы), при травлении окалины на металлах, при межоперационной защите металлических изделий и их консервации. По механизму действия на электрохимические процессы ингибиторы делятся на анодные, катодные, экранирующие, т. е. изолирующие активную поверхность металла. По условиям применения их можно разделить на ингибиторы для растворов и летучие ингибиторы для защиты изделий от воздействия атмосферной коррозии. Механизм защитного действия большинства ингибиторов заключается в их адсорбции на корродирующей поверхности и последующем торможении катодных или анодных процессов. К анодным замедлителям, в первую очередь, относятся замедлители окисляющего действия. При этом на аноде образуется пассивная пленка, способствующая снижению скорости коррозии. Примером анодных ингибиторов могут служить бихроматы, хроматы, нитраты, нитриты. Нитраты широко применяются в качестве ингибиторов в паровых котлах, нитриты – в машиностроении при межоперационной защите стальных деталей от коррозии. Наряду с окислителями тормозить анодный процесс могут замедлители вторичного действия, образующие на поверхности металла пассивные пленки. Пленка образуется при взаимодействии ионов растворяющегося металла с замедлителем на корродирующей поверхности металла и тормозит, главным образом, анодный процесс. К подобным замедлителям можно отнести гидроксид и карбонат натрия. При недостаточном содержании в растворе анодных ингибиторов они могут вызывать ускорение коррозии. В малых количествах анодные ингибиторы только частично пассивируют поверхность. Вследствие этого происходит увеличение скорости коррозии. Поэтому при использовании анодных ингибиторов необходимо определить сначала их минимальную защитную концентрацию. Катодные замедлители уменьшают скорость коррозии благодаря снижению эффективности катодного процесса или уменьшению площади катодов. По характеру действия они различны.Действие катодных замедлителей-поглотителей кислорода основано на уменьшении содержания кислорода в растворе и, следовательно, на снижении скорости катодного процесса. Катодными замедлителями, повышающими перенапряжение катодного процесса, являются катионы солей некоторых тяжелых металлов: хлорид мышьяка, сульфат висмута и др. Катионы этих солей восстанавливаются на катоде в виде мышьяка или висмута, вследствие чего значительно повышается перенапряжение выделения водорода. Скорость движения агрессивной среды в значительной степени определяет коррозионное поведение металлов. С увеличением скорости движения водопроводной воды, не содержащей значительных количеств солей, сначала происходит повышение скорости коррозии железа и стали из-за увеличения подвода кислорода к микрокатодам поверхности. Последующее снижение скорости коррозии при достаточно быстром течении воды объясняется тем, что обилие кислорода приводит к пассивации анодных участков (кислород выступает как замедлитель коррозии). Наконец, при очень больших скоростях движения воды снова наблюдается увеличение скорости коррозии металла вследствие эрозии, т. е. механического разрушения защитных пленок или даже структуры самого металла. При наличии в растворе значительного количества активных анионов пассивация может не наступить, т. е. происходит постоянное возрастание скорости коррозии металла с увеличением скорости движения коррозионной среды, например в морской воде. С повышением температуры скорость электрохимической коррозии, как правило, возрастает. Однако зависимость скорости коррозии от температуры довольно сложная, так как при этом приходится учитывать уменьшение растворимости кислорода с повышением температуры, изменение структуры образующихся продуктов коррозии, возникновение термогальванических микрокоррозионных элементов, влияние температуры на изменения значений потенциалов для различных металлов. Так как многие химические процессы протекают при повышенных давлениях, то важно установить влияние давления на скорость коррозии. Влияние конструктивных особенностей аппаратов на коррозионный процесс Конструкция аппаратов оказывает существенное влияние на коррозионный процесс. Застойные зоны, концентрации механических и термических напряжений, контакт разнородных металлов и другие особенности аппаратов способствуют электрохимической коррозии. В связи с этим при конструиро- вании необходимо учитывать следующие моменты: — Контакт разнородных металлов. Чем больше различие в величине электродных потенциалов контактируемых металлов, тем выше коррозион- ный ток. Необходимо подбирать металлы, имеющие незначительную разни- цу в величине электродных потенциалов, или изолировать места их сопри- косновения. — Чистота обработки поверхности металлов. Полированная поверхность меньше корродирует, чем грубо обработанная. При наличии участков поверхности, имеющих различную обработку, могут возникнуть коротко- замкнутые гальванические элементы. — Распределение температуры. Большая разница температур на различных участках аппарата (например теплообменника) приводит к образованию термогальванических элементов, увеличивающих электрохимическую гетерогенность корродирующей поверхности. Следствием этого является повышение скорости коррозии. Для выравнивания температуры необходимо интенсивно перемешивать растворы. — Распределение механических напряжений. При наличии в металле остаточных внутренних напряжений или приложенных извне механических нагрузок могут образовываться гальванические элементы на поверхности металла. При этом на участках, подверженных действию наибольших напряжений, появляются коррозионные микротрещины (растрескивание). Особенно большие напряжения возникают в местах сварки. Для уменьшения напряжений необходимо производить отжиг деталей или узлов аппаратов. — Наличие щелей, зазоров и застойных зон. Очень опасными в коррозионном отношении являются щели и зазоры, в которых может накапливаться влага или коррозионный раствор, что приводит к сильной местной коррозии вследствие неравномерной аэрации (доступа кислорода) участков поверхности. В застойных зонах значения рН раствора могут быть совершенно иными, чем в объеме раствора; в них накапливаются продукты коррозии металла, что приводит к увеличению коррозии. Влияние механических факторов на коррозионный процесс Металлические конструкции в процессе эксплуатации часто подвергаются разрушению при одновременном воздействии коррозионной среды и механических напряжений. По своему происхождению механические напряжения могут быть внутренними, возникающими в результате деформации или термообработки металла, или внешними, вызванными приложенными извне нагрузками (постоянными пли переменными). Кроме того, металл может подвергаться истирающему или кавитационному воздействию. Скорость коррозии металлических изделий в агрессивных средах при одновременном механическом воздействии на конструкцию значительно выше, чем при отсутствии этого воздействия. В зависимости от характера механического воздействия различают следующие типы коррозии: - коррозионное растрескивание – местное разрушение металла при одновременном воздействии на металл растягивающих напряжений и коррозионной среды; - коррозионная усталость – разрушение при одновременном воздействии на металл агрессивной среды и знакопеременных напряжений; - коррозия при трении – разрушение металла в результате механического истирающего воздействия на металл другого металла при наличии коррозионной среды или непосредственного воздействия самой жидкой или газообразной коррозионной среды на металл; - коррозионная кавитация – механическое ударное воздействие самой агрессивной коррозионной среды. Коррозионное растрескивание металлов При наложении механических напряжений происходит понижение тер- модинамической устойчивости металла. На скорость коррозии металлов и сплавов в напряженном состоянии оказывают влияние величина механических напряжений, характер катодного процесса, природа анионов. В кислых средах при приложении растягивающих напряжений скорость коррозии сталей увеличивается. На степень увеличения скорости коррозии с водородной деполяризацией оказывает влияние природа аниона. Например, в серной кислоте с добавкой хлорида натрия при приложении растягивающих напряжений скорость коррозии стали увеличивается в большей степени, чем в растворе чистой серной кислоты. Наблюдаемую закономерность связывают с торможением адсорбции поверхностно-активных анионов на поверхности стали при приложении растягивающих напряжений в упругой области. При введении в раствор серной кислоты анионов хлора скорость коррозии ненапряженной стали, за счет адсорбции анионов Cl−, понижается. При применении растягивающих напряжений изгибом в упругой области адсорбция анионов Cl- тормозится, в результате чего общая скорость коррозии увеличивается. Постоянные растрескивающие напряжения (внешние или внутренние) увеличивают скорость общей коррозии металла примерно пропорционально их величине. При этом происходит, главным образом, местная коррозия или коррозионное растрескивание. Коррозионному растрескиванию подвержены многие металлы: щелочная хрупкость металла паровых котлов, растрескивание некоторых коррозионностойких, например, хромоникелевых, сталей. Коррозионно-механические трещины постепенно зарождаются на металлической поверхности под влиянием локализации анодного процесса и растягивающих напряжений на отдельных ее участках (например царапины, риски от обработки, дефекты защитной пленки и др.). Развитие коррозионных трещин происходит в результате действия трех факторов: - электрохимического – из-за неоднородности структуры поверхности металла (дефекты защитных пленок являются активными анодами); - механического – неравномерность напряжений приводит к электрохимической неоднородности; - адсорбционного – образование трещин в поверхностном слое металла облегчается под расклинивающим воздействием адсорбирующихся из раствора поверхностно-активных веществ. 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, прикоторых 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. 2.5 Схема коррозионной трещины: 1 – направления растягивающих напряжений; 2 – трещина, заполненная электролитом; 3 – оксидная пленка (катод коррозионной пары); 4 – непрерывно обновляемое острие трещины (анод коррозионной пары); 5 – максимально напряженная зона металла 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. 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. Коррозионно-усталостная прочность металлов и сплавов 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 2.3  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. |