книги / Электрохимическая коррозия и защита металлов

УДК 620.193 З-26

Рецензенты:

д-р хим. наук, профессор А.Б. Шеин (Пермский государственный университет); д-р техн. наук, профессор А.М. Ханов

(Пермский государственный технический университет)

Замалетдинов, И.И.

З-26 Электрохимическая коррозия и защита металлов: учеб. пособие / И.И. Замалетдинов.— Пермь: Изд-во Перм. гос.

техн. ун-та, 2010.— 152 с.

ISBN 978-5-398-00465-6

Рассмотрены современные представления об электрохимической коррозии металлов. Данный раздел науки наиболее глубоко изучен экспериментально итеоретически обоснованотечественными изарубежнымиисследователями.

Предназначено для студентов иаспирантов, изучающих курс «Коррозия изащита металлов». Вприложении приведены тестовые вопросы для проверки знанийпоизучаемому разделу.

УДК 620.193

5

ВВЕДЕНИЕ

Термин «коррозия» (от лат. corrosio — разъедать, разрушать) применяется в основном к металлическим материалам. Коррозией называют процесс самопроизвольного разрушения металлов при их контакте с окружающей средой. Термин «коррозия металлов» имеет двоякий смысл: характеризует как процесс разрушения, так и характер этого разрушения. Коррозия металлов протекает в результате химического или электрохимического взаимодействия с коррозионной средой, т.е. средой, в которой металл разрушается.

Несмотря на то, что коррозионные разрушения металлов известны с незапамятных времен, наука о коррозии (коррозиология) сложилась в сравнительно недавнее время. Предмет этой науки — изу-

и солеными природными водами и разнообразными растворами, используемыми в технических средах, различными неэлектролитами (органическими средами). Коррозионные разрушения наблюдаются также при воздействии горячих газов при повышенных температурах, в условиях эксплуатации металлоконструкций в почве.

Когда говорят о коррозии металлов, то имеют в виду нежелательный процесс взаимодействия металла со средой. Если же химическое иэлектрохимическое взаимодействие металла со средой приводит кжелаемому растворению металла, то термин «коррозия металлов» не употребляют. Это, например, растворение металла вкислоте с целью получения соли, растворение анода вгальваническом элементе с целью получения тока, растворение анода при электролизе с целью осаждения этого металла из раствора на катоде ит.д. Однако физико-химическая сущность изменений, которые претерпевает металл при коррозии ивперечисленныхпроцессах, одинакова— металлокисляется.

Любой коррозионный процесс является гетерогенным, так как протекает на границе раздела металл—жидкость, металл—газ. Следовательно, изучать гетерогенный процесс сложнее, чем гомоген-

6

ный. Любой коррозионный процесс является многостадийным, что также осложняет изучение процессов коррозии.

Значение коррозионных исследований определяется тремя аспектами. Первый из них — экономический. Стремительный рост количества производимого металла сопровождается быстрым ростом экономических потерь от коррозии. Говорят, что каждая десятая домна страны работает на коррозию. Уже к середине 70-х гг. прошлого столетия в промышленно развитых странах эти потери достигли размеров, сравнимых с вложениями государств в развитие крупных отраслей промышленности или даже превосходящих их. Так, суммарные, т.е. прямые и косвенные, потери от коррозии к указанному времени оценивались в США в 70 млрд долларов, в ФРГ — в 19 млрд марок, в СССР — в 40 млрд руб.

Быстрому росту экономических потерь от коррозии способствовало и то обстоятельство, что именно в послевоенные десятилетия сформировались и получили развитие такие металлоемкие отрасли промышленности, как нефтяная, химическая, нефтехимическая, цел- люлозно-бумажная, а также цветная металлургия, тепловая и атомная энергетика, морской флот, авиация, автомобильный и трубопроводный транспорт. Для них характерно использование весьма агрессивных сред, высоких температур и давлений, больших скоростей потоков, а также условий, когда изделия эксплуатируются при одновременном воздействии агрессивной среды и больших механических нагрузок, т.е. факторов, способствующих коррозии. Для этих отраслей коррозионная стойкость конструкционного материала — одна из важнейших, а часто и самая важная характеристика, определяющая надежность и срок службы технологического оборудования.

Второй аспект связан с повышением надежности оборудования, которое в результате коррозии может разрушаться с катастрофическими последствиями (например, сосуды высокого давления, паровые котлы, металлические контейнеры для токсичных материалов, лопасти и роторы турбин, мосты, детали самолетов т.д.). Надежность является важнейшим условием при разработке и строительстве атомных электростанций и систем захоронения радиоактивных отходов.

7

Третий аспект связан с сохранностью металлического фонда. Мировые запасы металлических руд ограниченны, и потери металла в результатекоррозии ведуткдополнительным затратам энергии иводы.

Экономический фактор является главной движущей силой большинства прикладных коррозионных исследований.

Различают прямые и косвенные коррозионные потери. Под

прямыми коррозионными потерями понимают стоимость замены

(с учетом трудозатрат) подвергшихся коррозии конструкций и машин или их частей, таких как трубопроводы, конденсаторы, металлические покрытия; затраты на перекраску конструкций; затраты, связанные с катодной или анодной защитой оборудования.

Прямые потери включают добавочные расходы, связанные с использованием коррозионно-стойких металлов и сплавов вместо обычной углеродистой стали. Сюда относятся стоимость нанесения защитных покрытий, стоимость ингибиторов (замедлителей) коррозии, затраты на кондиционирование воздуха складских помещений для хранения металлического оборудования. Подсчитано, что применение соли для борьбы с обледенением дорог и мостов приводит к прямым коррозионным потерям на сумму порядка 2 млрд долларов в год в связи с коррозией автомобилей и около 500 млн долларов в год на дополнительный ремонт дорог и мостов. Большую часть вышедших из строя металлоконструкций переплавляют, т.е. значительную долю металла вновь возвращают в производство (с затратой определенных средств).

Гораздо труднее подсчитать косвенные потери, но даже по приблизительной оценке они исчисляются миллиардами долларов. Примеры косвенных потерь:

• Простои. Замена подвергшейся коррозии трубы нефтеперегонной установки стоит несколько сотен долларов, но недовыработка продукции за время простоя дает убыток 20 тыс. долларов вчас. Замена поврежденного коррозией котла или конденсатора на крупной электростанции может привести к недовыработке электроэнергии на 50 тыс. долларов вдень. Общая стоимость недовыработки электроэнергии в США из-за коррозионныхпростоевсоставляетдесяткимиллионовдоллароввгод.

8

•Потери готовой продукции. Из-за коррозии происходят утечки нефти, газа и воды, коррозия автомобильного радиатора ведет

кпотере антифриза. Утечка газа из поврежденного газопровода может привести к взрыву.

•Потери мощности. Из-за отложения продуктов коррозии ухудшается теплопроводность поверхностей теплообмена. Уменьшение проходных сечений трубопроводов из-за отложения ржавчины требует повышения мощности насосов. В США увеличение мощности насосов водопроводных систем обходится в миллионы долларов в год.

•Загрязнение продукции. Небольшое количество Cu2+, поступившее в систему в результате коррозии медного трубопровода, может испортить целую партию мыла. Соли меди ускоряют старение и порчу мыла и укорачивают срок его хранения. Следы металлов могут изменить цвет красителей. Свинцовое оборудование не может быть использовано для приготовления и хранения пищевых продуктов из-за токсичности солей свинца (концентрация ионов свинца не должна превышать 1 мг/л).

•Допуски на коррозию. Это делается обычно при проектировании реакторов, паровых котлов, конденсаторов, насосов, подземных трубопроводов и др. Типичным примером допусков на коррозию может служить выбор толщины стенок подземных нефтепроводов. Расчетная толщина стенки трубопровода диаметром 200 мм и длиной 360 км составляет 8,18 мм с расчетом на коррозию. Применение защиты от коррозии позволяет снизить эту величину до 6,35 мм, что дает экономию 3700 т стали и увеличивает полезный объем трубопровода на 5 %.

Косвенные потери составляют существенную часть общих коррозионных потерь. В ряде случаев потери вообще не могут быть выражены в деньгах. Это аварии, связанные со взрывами, разрушением химического оборудования, или вызванные коррозией катастрофы самолетов, поездов, автомобилей, приводящие к потере здоровья или гибели людей.

9

1.ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1.Основная причина коррозии металлов

Большинство металлов в природе встречается в связанном состоянии — в форме оксидов, сульфидов, карбонатов, силикатов и других соединений, называемых обычно рудами металлов. Металлургия осуществляет восстановление руд до свободных металлов за счет химической, электрической или тепловой энергии. Так, из оксидов цинка и железа можно получить свободные металлы за счет химической энергии их взаимодействия с углеродом:

2Fe2O3 + 3C = 4Fe + 3CO2; 2ZnO + C = 2Zn + CO2.

Схему восстановления металла из руд и последующего его окисления (коррозии) (рис. 1) можно пояснить условным графиком с общих позиций — позиций термодинамики.

Рис.1. Схема восстановления металла из руд и последующего его окисления (коррозии)

Восстановление металла сопровождается поглощением энергии, следовательно, свободный металл обладает более высоким запасом

10