Химсопрмат

рий нефтегазовых сооружений свидетельствует о превалирующем влиянии коррозионного фактора. Так, в нефтеперерабатывающей промышленности и на транспорте нефти и газа 70% отказов происхо-

дит по причине коррозионных повреждений [7, 24-28] (табл. 1).

Из общего количества отказов промысловых трубопроводов (см. табл. 1) свыше 70% аварий приходится на так называемую ручейковую (канавочную) коррозию (рис. 1).

Рис. 1. Дефект в трубе при ручейковой коррозии

По данным Ростехнадзора, протяженность промысловых трубопроводов в Российской Федерации превысила 350000 км, а протяженность магистральных трубопроводов составляет свыше 150000 км, из которых:

–25% служат более 40 лет;

–33% служат более 27 лет;

–27% выработало нормативный срок.

В результате в РФ ежегодно происходит более 20000 порывов,

свищей и других аварий при максимальной скорости коррозии

12-16 мм/год.

9

В новых экономических условиях предприятия зачастую экс-

плуатируют оборудование и трубопроводы до их полного выхода из строя. Поэтому знание причин отказов наряду с изучением коррози-

онных процессов, методов защиты от коррозии и своевременным мо-

ниторингом позволит минимизировать потери от коррозии.

2. Определение понятия «коррозия металлов». Термины и стандарты

Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие химического или электрохи-

мического взаимодействия их с окружающей средой.

Коррозионный процесс протекает на границе раздела двух сред металла и окружающей среды, т.е. является гетерогенным процессом взаимодействия жидкой или газообразной среды с металлом

(рис. 2) [1, 2, 4].

Рис. 2. Некоторые типы гетерогенности поверхности корродирующего металла:

а– контакт разнородных металлов; б – дифференциальная аэрация;

в– образование щелей и питтингов; г – межкристаллитная коррозия;

д– структурно-избирательное разрушение; е – коррозионное растрескивание, или коррозионная усталость, при приложении нагрузки

10

Способность металлов сопротивляться воздействию среды назы-

вается коррозионной стойкостью, или химическим сопротивлением материала. Металл, подвергающийся коррозии, называют корроди-

рующим металлом, а среда, в которой протекает коррозионный про-

цесс, – коррозионной средой. В результате коррозии изменяются свойства металла и зачастую происходит ухудшение его функцио-

нальных характеристик.

Металл при коррозии может частично или полностью разрушать-

ся. Химические соединения, образующиеся в результате взаимодей-

ствия металла и коррозионной среды, называют продуктами корро-

зии. Продукты коррозии могут оставаться на поверхности металла в виде оксидных пленок, окалины или ржавчины. В зависимости от степени адгезии их к поверхности металла наблюдаются различные случаи. Например, ржавчина на поверхности железных сплавов обра-

зует рыхлый слой, процесс коррозии распространяется далеко в ме-

талл и может привести к образованию сквозных язв и свищей. Напро-

тив, при окислении алюминия на поверхности образуется плотная сплошная пленка оксидов, которая предохраняет металл от дальней-

шего разрушения [1-5, 9, 15, 24].

Коррозия является физико-химическим процессом, и закономер-

ности ее протекания определяются общими законами термодинамики и кинетики гетерогенных систем. Различают внутренние и внешние факторы коррозии. Внутренние факторы характеризуют влияние на вид и скорость коррозии природы металла (состав, структура и т.д.).

Внешние факторы включают влияние состава коррозионной среды и условий протекания коррозии (температура, давление и т.д.).

Противокоррозионной защитой называют процессы или средства,

применяемые для уменьшения или прекращения коррозии металла.

Основные понятия, термины и определения в области коррозии стан-

дартизированы (ГОСТ 5272-68*). В системе государственных стан-

11

дартов единой системы защиты от коррозии, старения и биоповреж-

дений (ЕСЗКС) вопросы коррозии выделены в класс под номером

«9». Следующая цифра, отделенная точкой от цифры «9», соответст-

вует определенной классификационной группе стандарта [24]:

0– Методы испытаний;

1– Организационно-методические правила и нормы;

2– Общие требования к выбору конструкционных материалов и комплексной защите;

3– Металлические и неметаллические неорганические покрытия;

4– Лакокрасочные, полимерные покрытия;

5– Временная противокоррозионная защита;

6– Электрохимическая защита;

7– Защита от старения;

8– Защита от биоповреждений;

9– Общие вопросы коррозии и защиты металлов.

Чем же занимается наука о коррозии, каковы ее задачи и научные основы курса? Наука о коррозии изучает взаимодействие материалов с коррозионной средой, устанавливает механизм этого взаимодейст-

вия и его общие закономерности. Практическая цель учения – защита материалов от коррозии и разрушения при их обработке и эксплуата-

ции конструкций из них в различных агрессивных средах.

Для установления механизма и общих закономерностей этого взаимодействия и разработки методов борьбы необходимо знание свойств материалов и коррозионной среды, а также основные зако-

номерности химических и электрохимических процессов, т.е. науч-

ной базой учения о коррозии и защите являются материаловедение и физическая химия, в первую очередь такие ее разделы, как термоди-

намика и кинетика гетерогенных химических и электрохимических процессов.

12

3. Общие сведения о коррозионной стойкости металлов

Первопричиной коррозии металлов является их термодинамиче-

ская неустойчивость в различных средах при данных внешних усло-

виях, т.е. самопроизвольный переход металла в более устойчивое окисленное состояние за счет уменьшения термодинамического по-

тенциала системы, которое достигается в результате реакции:

Термодинамика дает исчерпывающие сведения о возможности или невозможности самопроизвольного протекания коррозионного процесса при определенных условиях.

Термодинамические потенциалы могут быть использованы для количественной оценки движущих сил химических или электрохими-

ческих коррозионных процессов, а также для расчета скоростей этих процессов и практических методов защиты от коррозии, т.е. создания условий, уменьшающих или полностью исключающих возможность протекания коррозионного процесса.

Однако термодинамика не дает ответа на вопрос, с какой скоро-

стью будет протекать термодинамически возможный коррозионный процесс. Рассмотрением этого вопроса, а также установлением влия-

ния различных факторов на скорость коррозии и характер коррозион-

ного разрушения металлов занимается кинетика (учение о скоростях)

коррозионных процессов.

Отличительной особенностью коррозионных процессов является их сложность и многостадийность. Обычно коррозионный процесс состоит из трех основных стадий [1-5, 7, 9, 15, 24]:

1)перенос реагирующих веществ к поверхности раздела фаз;

2)собственно гетерогенная реакция;

3)отвод продуктов реакции из реакционной зоны.

13

Каждая из этих стадий может протекать последовательно или параллельно с образованием на поверхности металла продуктов коррозии.

Реакция окисления происходит, когда металл соединяется с атомом или группой молекул, теряя при этом электроны, либо когда он переходит из одной степени окисления в другую, более высокую.

Суммарная реакция окисления этого типа может быть представлена как две реакции, протекающие одновременно [1]:

окисление Me Men n электронов;

восстановление O2 n электронов (n/2)O2 ;

суммарная реакция Me O2 MeOn/ 2 .

Одновалентный металл будет образовывать один оксид, многовалентный может формировать, как правило, несколько различных оксидов, число которых определяется валентностью металла. Оксиды электрически нейтральны, имеют определенную кристаллическую структуру, состоят из зерен (кристаллов), свойства которых подобны свойствам металлов. Оксид способен к рекристаллизации, росту зерен и может подвергаться пластической деформации, особенно при высоких температурах.

4. Классификация коррозионных процессов

Процессы коррозии можно классифицировать по различным при-

знакам [1-4, 7, 20]:

1.По механизму протекания коррозии.

2.По условиям процесса.

3.По характеру разрушения поверхности.

В зависимости от механизма различают химическую, электрохимическую и биохимическую коррозию металлов [47].

Химическая коррозия – это взаимодействие металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление

14

окислительного компонента коррозионной среды протекают в одном акте. Продукты коррозии при этом процессе возникают непосредственно на корродирующих участках.

Электрохимическая коррозия – это взаимодействие металла с коррозионной средой (раствором электролита), при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала металла. При этом виде коррозии протекают две реакции – анодная и катодная, локализованные на определенных участках поверхности корродирующего металла.

Биохимическая коррозия – это процесс, связанный с воздействием на материал микроорганизмов, выделяющих вещества, которые ускоряют процесс коррозии. При этом металл может разрушаться изза того, что он служит для этих микроорганизмов питательной средой, или из-за воздействия на металл продуктов жизнедеятельности этих микроорганизмов. В чистом виде такой процесс встречается редко, поэтому при анализе причин разрушения различных конструкций, связанных с биохимической коррозией, их обычно относят к разрушениям, связанным с электрохимической коррозией.

По условиям протекания процессов коррозии выделяются [1-4]:

–газовая коррозия – коррозия металлов в газах при высоких температурах и минимальном содержании влаги (как правило, не более 0,1%). В химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности такой вид коррозии встречается при получении серной кислоты на стадии окисления диоксида серы, при синтезе аммиака, получении азотной кислоты и хлористого водорода, в процессах синтеза органических спиртов, крекинга нефти и т.д.;

–атмосферная коррозия – коррозия металлов в атмосфере воздуха или влажного газа (например, ржавление стальных конструкций на открытом воздухе);

–жидкостная коррозия – коррозия металла в жидкой среде, как в неэлектролите, так и в растворах электролита. Различают жидкост-

15

ную коррозию металла при полном, неполном и переменном погружении, погружении по ватерлинии, в неперемешиваемой (спокойной)

иперемешиваемой (движущейся) коррозионной среде;

–подземная коррозия – коррозия металла в почвах и грунтах (например, коррозия подземных стальных трубопроводов);

–структурная коррозия – коррозия, связанная со структурной неоднородностью металла. Например, ускорение коррозионного процесса в растворах серной и соляной кислот катодными включениями: карбидами в стали, графитом в чугуне, интерметаллидом CuAl2 в дюралюминии;

–коррозия внешним током – электрохимическая коррозия металла под воздействием тока от внешнего источника. Может наблюдаться в процессе растворения стального анодного заземлителя катодной защиты подземного трубопровода;

–коррозия блуждающим током – электрохимическая коррозия под воздействием блуждающих токов (например, коррозия подземного трубопровода);

–контактная коррозия – электрохимическая коррозия, вызванная контактом металлов, имеющих разные стационарные потенциалы в данном электролите (например, коррозия в морской воде деталей из алюминиевых сплавов, находящихся в контакте с медными изделиями);

–щелевая коррозия – коррозия в щелях и зазорах между поверхностями различных конструктивных элементов, а также в местах неплотного контакта металла с неметаллическими материалами (например, в резьбовых и фланцевых соединениях стальных конструкций, находящихся в агрессивной среде);

–коррозия под напряжением – коррозия металла при одновременном воздействии коррозионной среды и механических напряжений. В зависимости от характера нагрузок может иметь место коррозия при постоянной и переменной нагрузках. При одновременном воздействии коррозионной среды и знакопеременных или циклических растягивающих нагрузок наблюдается коррозионная усталость – понижение предела усталости металла;

16

–коррозионная кавитация – коррозия, вызванная одновременным коррозионным и ударным воздействием внешней среды;

–коррозия при трении – разрушение металлической поверхности, вызванное одновременным воздействием коррозионной среды и трения поверхностей, часто этот вид коррозии называют коррозионной эрозией;

–фреттинг-коррозия – коррозия металла при колебательном перемещении двух поверхностей друг относительно друга в условиях воздействия коррозионной среды (например, разрушение двух металлических поверхностей, плотно соединенных болтами, в результате вибрации в атмосфере, содержащей кислород).

По характеру коррозионных разрушений различают следующие виды коррозии [1-4, 7, 14].

1. Сплошная, или общая коррозия, охватывающая всю поверхность металла (рис. 3), которая также подразделяется на равномерную (1а) и рис. 4 а, неравномерную (1б) и избирательную (1в), когда разрушается одна структурная составляющая сплава или один его компонент.

Рис. 3. Виды коррозии

17