Химсопрмат

5.2.5. Олово

Стандартный равновесный потенциал олова равен –0,136 В. Оло-

во – серебристо-белый металл, медленно тускнеющий на воздухе.

Оно может существовать в двух модификациях. Обычная металличе-

ская модификация носит название «белое олово», более легкая ме-

таллоидная форма называется «серое олово». Белое олово устойчиво при температуре выше +13 °С, серое олово – при температуре ниже

+13 °С. Аллотропическое превращение белого олова в серое получи-

ло название оловянной чумы. Введение в олово 0,5% Bi или Sb ис-

ключает подобное явление [24].

Олово обладает недостаточно высокими механическими свойст-

вами, способность к пассивации выражена слабо. Оно устойчиво в природных водах, в растворах нейтральных солей, в пищевых средах.

Олово широко применяется для защитных покрытий при изготовле-

нии консервной жести.

Олово устойчиво в разбавленных растворах серной и соляной ки-

слот, в органических кислотах. При повышении концентрации мине-

ральных кислот коррозия олова ускоряется, в азотной кислоте олово разрушается сильно, неустойчиво в щелочах. Олово устойчиво в ат-

мосферных условиях.

Олово как конструкционный материал практического примене-

ния не имеет вследствие высокой себестоимости и невысокой меха-

нической прочности. Олово применяется для получения бронзы и сплавов, обладающих антифрикционными свойствами (оловянные баббиты). В их состав входит до 90% олова. Мягкие легкоплавкие сплавы олова и свинца используются в качестве припоев.

5.2.6. Свинец

Стандартный электродный потенциал свинца равен –0,126 В. Коррозионная стойкость свинца определяется во многом устойчивостью продуктов его коррозии.

259

Свинец – мягкий металл, имеющий невысокую температуру плавления (327,4 °С), низкую теплопроводность и плохие литейные свойства [24].

Вкачестве коррозионно-стойкого материала применяется свинец чистоты не менее 99,2%. Примеси Cu, Sn, As, Fe, Bi увеличивают его прочностные показатели, но уменьшают пластичность. Примеси мышьяка придают свинцу хрупкость. Коррозионная стойкость свинца определяется растворимостью продуктов его коррозии.

Вазотной и уксусной кислотах свинец неустойчив, так как нитраты и ацетаты свинца растворимы. Свинец неустойчив также в щелочах.

Напротив, в серной и фосфорной кислотах свинец отличается высокой коррозионной стойкостью. Это относится и к растворам их солей. Нерастворимые продукты коррозии свинца осаждаются на поверхности и образуют беспористую, прочно связанную с металлом пленку толщиной от тысячи до нескольких тысяч молекулярных слоев. В соляной кислоте свинец стоек до концентрации 10% [7, 24].

Добавки к свинцу 0,03-0,10% Te улучшают его коррозионную стойкость в серной кислоте, как при высоких концентрациях, так и при высоких температурах.

Добавка теллура повышает сопротивление свинца усталости и коррозии, когда сплав эксплуатируется в качестве обкладочного материала и труб.

Свинец находит применение в химической промышленности в виде листового материала для футеровки химических аппаратов, гальванических ванн, кристаллизаторов, для изготовления трубопроводов и газоходов. Он используется также для оболочек кабелей связи, для защиты от рентгеновского облучения, для изготовления аккумуляторов.

Свинец применяется в сернокислотной промышленности как обкладочный материал для небольших емкостей (вакуум-сборники, мерники) и в сопряженных узлах аппаратов для гомогенного свинцевания крышек аппаратов, как конструкционный материал для труб

260

холодильников. Низкий коэффициент теплопроводности не позволяет эффективно использовать свинец в теплообменной аппаратуре, а высокая плотность приводит к утяжелению конструкций. Верхний температурный предел применения свинца составляет 120 °С [4, 7, 24].

Сплав свинца, легированный 6-12% Sb, обладает повышенными механическими и литейными свойствами. Он известен под названием «твердый свинец», или гартблей. Из него изготавливают детали насосов промывных кислот и узлы аппаратов, испытывающих нагрузки.

5.2.7. Цинк

Цинк нашел широкое применение в качестве защитного покры-

тия железных и стальных изделий. Цинк – легкоплавкий (tпл 419 °С),

мягкий и малопрочный металл. Стандартный электродный потенциал цинка равен –0,76 В [24].

Цинк может корродировать как с водородной, так и с кислород-

ной деполяризацией. В кислых средах цинк корродирует с водород-

ной деполяризацией. На скорость коррозии цинка существенно влия-

ют даже незначительные примеси других металлов. Примеси кадмия,

свинца, алюминия не влияют на скорость коррозии. Примеси с низ-

ким перенапряжением водорода, например, железо, медь в концен-

трации 0,002-0,005% увеличивают скорость коррозии цинка в 10 и

более раз. В нейтральных растворах цинк корродирует с кислородной деполяризацией, и имеющиеся в нем технические примеси не влияют на его коррозионную устойчивость. На поверхности металла образу-

ются защитные пленки из гидроксида цинка. В щелочах цинк нестоек.

Цинк обладает максимальной устойчивостью в интервале рН ме-

жду 9 и 11 (рис. 5.10), поэтому применение цинковых покрытий не-

рационально, если рН среды заметно меньше 7 или выше 12, из-за усиления коррозии цинка [24].

В воде цинк устойчив до 55 °С (рис. 5.11). Скорость коррозии резко повышается с увеличением температуры и достигает максиму-

ма при 70 °С, а затем снижается. Наблюдаемые закономерности свя-

261

зывают с тем, что при температурах до 50 °С и выше 95 °С на цинке образуется плотная пленка с высокими защитными свойствами. В ин-

тервале температур 55-65 °С наблюдается образование рыхлых про-

дуктов коррозии с низкими защитными свойствами. При температуре

100 °С продукты коррозии уплотняются и происходит уменьшение растворимости кислорода в коррозионной среде [4, 24].

Рис. 5.10. Влияние pH раствора на скорость коррозии цинка

Рис. 5.11. Влияние температуры на скорость коррозии цинка в дистиллированной воде

262

Цинк используется для защиты стали от атмосферной коррозии.

Применяется для получения медных, никелевых, магниевых сплавов,

в производстве аккумуляторов и как протектор при электрохимиче-

ской защите железных сплавов.

5.2.8. Титан и его сплавы

Титан – легкий и тугоплавкий металл (tпл 1725 °С). Он обладает высокой прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. По своему распространению среди конструкционных металлов он нахо-

дится на четвертом месте после алюминия, железа и магния. Стан-

дартный электродный потенциал титана равен –1,63 В [24].

Титан является термодинамически активным металлом. Однако он склонен к пассивации и вследствие этого инертен во многих сре-

дах. Например, в морской воде при 25 °С потенциал титана близок к

+0,09 В, т.е. положительнее, чем у цинка, железа, алюминия и меди в этой среде. Титан устойчив в средах, обладающих окислительными свойствами и содержащих хлорид-ионы. Он устойчив в царской вод-

ке, растворах гипохлорита натрия до 100 °С, хлорной воде. Титан стоек в азотной кислоте любых концентраций вплоть до температуры кипения. Скорость коррозии титана в дымящей азотной кислоте не превышает 0,1 мм/год. Таким образом, титан может применяться для изготовления аппаратов, насосов и коммуникаций.

В растворах соляной кислоты титан корродирует с выделением водорода. Он стоек только в разбавленных растворах HCl при 60 °С

не выше 3,0% HCl, при 100 °С – не выше 0,5% HCl. С увеличением концентрации и повышением температуры соляной кислоты скорость коррозии увеличивается. Снизить скорость растворения титана мож-

но добавлением в раствор окислителей, например K2Cr2O7 , KMnO4 ,

H2O2 , O2 , HNO3 [7, 15, 24].

263

Зависимость скорости растворения титана от концентрации сер-

ной кислоты имеет сложный характер. Отмечаются два максимума скорости растворения – при концентрациях 40 и 75%, что связано с изменением физико-химических свойств и электропроводности.

Сухой газообразный хлор вызывает сильную коррозию титана, так что возникает опасность воспламенения. При наличии в хлоре даже незначительных следов влаги (порядка 0,005%) коррозия титана

вхлоре прекращается [24].

Вразбавленных щелочах, до концентрации 20% NaOH, титан устойчив. В более концентрированных растворах и при нагреве он мед-

ленно реагирует с образованием соли титановой кислоты Na2TiO3 .

Титан обладает высокой коррозионной стойкостью во многих органических средах, в которых стали типа 12Х18Н10Т корродируют. Титан полностью коррозионно-устойчив в морской воде и морской атмосфере.

Более высокие физико-механические и коррозионные свойства титана могут быть достигнуты при его легировании такими металла-

ми, как Al, Mo, Ta, Nb, Zn, Cu и т. д.

Титан и его сплавы применяются в химической промышленности для изготовления аппаратуры, используемой в производстве серной кислоты, хлора и ряда органических продуктов [24].

264

Глава6 НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕКОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ

МАТЕРИАЛЫИИХПРИМЕНЕНИЕ В НЕФТЯНОЙОТРАСЛИ

Неметаллические коррозионно-стойкие материалы широко ис-

пользуются в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и многих других отраслях промышленности, как в качестве конструкционных материалов, так и в качестве защитных покрытий.

Номенклатура неметаллических материалов в настоящее время достаточно велика, и количество их непрерывно возрастает. Класси-

фицировать неметаллические материалы можно по разным призна-

кам, например, материалы неорганического и органического проис-

хождения. В отдельную группу можно вынести композиционные ма-

териалы, матрица и наполнитель которых могут быть из материалов одного и того же или разных классов [23, 34].

Условная классификация неметаллических материалов представ-

лена на рис. 6.1.

Неметаллические материалы неорганического происхождения в основном находят применение в качестве футеровочных материалов.

Плавленые материалы объединяют эмали, силикатное стекло,

плавленый кварц и каменное литье.

Эмаль кислотоупорная представляет собой легкоплавкое стекло

(кварцевый песок с присадками глины, полевого шпата, буры, соды и др.). Эмали подразделяются на грунтовочные и покровные. Эмалевое покрытие получается после обжига при температуре 850-900 ºС.

Толщина эмалевого слоя – 0,6-1,0 мм.

Силикатное стекло используется для изготовления футеровочных плиток и в качестве конструкционного материала для труб, отводов,

тройников, холодильников и т. д.

Из плавленого кварца изготавливают различное лабораторное оборудование.

265

Неметаллические коррозионно-стойкие материалы

Рис. 6.1. Классификация неметаллических материалов

Плавленые материалы объединяют литье диабаза и базальта, которое чаще выпускается в виде плиток для футеровки аппаратов и реже – для изготовления отдельных деталей, таких как трубы, желоба, штуцеры и т. д. Плавленые диабаз и базальт представляют собой горные породы, они химически стойки, непроницаемы для агрессивных сред и выдерживают высокие температуры.

К керамическим материалам относятся фарфор, кислотоупорная керамика и шамотный огнеупорный кирпич [22, 23]. Основное применение эти материалы находят в химической промышленности, а фарфор еще служит материалом для изготовления лабораторного оборудования.

Природные кислотоупоры состоят, главным образом, из оксида кремния и включают гранит, бештаунит, андезит и асбест. В нефтяной промышленности широко используется асбест, который присутствует в набивках и прокладках в качестве наполнителя.

Силикатные материалы на основе вяжущих представляют собой композиции, состоящие из минерального тонко измельченного на-

266

полнителя и собственно вяжущего – жидкого стекла или битума. Эти материалы применяются при защите от коррозии, из них также можно изготавливать кислотостойкие полы и междуэтажные перекрытия.

Номенклатура материалов органического происхождения гораздо шире, и она непрерывно увеличивается. Основное место в ней занимают, конечно же, пластические массы и лакокрасочные материалы

[23].

Натуральный и синтетический каучуки являются сырьем для из-

готовления резины и резинотехнических изделий. Готовые изделия получаются путем вулканизации каучуков в смеси с наполнителями,

пластификаторами, стабилизаторами и вулканизующими агентами, в

качестве которых наибольшее применение нашла сера. В результате процесса вулканизации происходит образование трехмерной струк-

туры макромолекулы. При добавлении 2-4% серы получают мягкие резины, а при введении 30-60% серы – эбониты. В настоящее время также широко используются герметизирующие материалы в виде мастик или паст.

К непластичным материалам относятся дерево, уголь и графит. Достаточно широкое применение в нефтяной промышленности находят материалы на основе графита как антифрикционные.

Пластическими массами называются неметаллические материалы на основе природных или синтетических полимеров, которым путем температурного и силового воздействия можно придать определенную форму, сохраняющуюся после снятия воздействия [23]. Пластмассы при обычных условиях являются твердыми, упругими телами с целым комплексом ценных физико-механических свойств. Для изготовления пластмасс используются как чистые полимеры, так и сополимеры.

Полимеры получают из низкомолекулярных веществ в результате реакций полимеризации и поликонденсации. В зависимости от пове-

дения полимера при нагреве пластмассы разделяются на термопла-

стичные и термореактивные.

267

Термопластичные пластмассы (термопласты) содержат высокомолекулярные полимеры или сополимеры линейной структуры (полиэтилен, полихлорвинил и др.), которые при нагревании переходят в вязкотекучее состояние, а при охлаждении затвердевают. Процесс этот может быть повторен неоднократно.

Термореактивные пластмассы (реактопласты) содержат низкомолекулярные полимеры, отверждающиеся с образованием сетчатой структуры при нагревании или под действием отвердителей. При первичном нагреве реактопласты также переходят в вязкотекучее состояние, но затем отверждаются и переходят в твердое, неплавкое и нерастворимое состояние.

Лакокрасочные материалы являются одними из самых простых защитных материалов, которые предназначены защищать различные конструкции от атмосферных воздействий, агрессивных сред, воды и т. д. Они подразделяются на грунтовки, шпатлевки, краски и лаки

[23].

Композиционные материалы обладают не только высокой химической стойкостью, но и механическими свойствами, сопоставимыми с механическими свойствами металлов. Обычно они представляют собой полимерную матрицу, содержащую тот или иной наполнитель, повышающий механические свойства (фаолиты, текстолиты, армированный полиэтилен). Реактопласты, как правило, содержат армирующий наполнитель в количестве 45-80% масс. Композиционными материалами являются также антегмиты, у которых природная пористость графита устранена пропиткой синтетическими смолами, и графитолит.

6.1. Конструкционные материалы, их свойства и применение

Под конструкционными материалами подразумеваются такие, из которых могут быть созданы законченные конструкции (отдельные емкости, аппараты, трубопроводы), выдерживающие воздействие не только агрессивной среды, но и механических напряжений от экс-

268