3 Корозія металів і сплавів
Вибір конструкційного матеріалу для виготовлення хімічної апаратури значною мірою визначається агресивністю середовища і умовами роботи даного апарату. Корозійна дія середовища призводить до зниження механічної міцності, твердості, зносостійкості матеріалу і до інших небажаних явищ.
Корозія – руйнування матеріалу при хімічній або електрохімічній дії середовища. Корозійна стійкість – здатність матеріалу протистояти корозійній дії середовища. Це поняття відносне, оскільки корозійна стійкість залежить від виду середовища, концентрації хімічно активного компоненту, температури і ряду інших чинників. Наприклад, вуглецеві сталі цілком стійкі в сірчаній кислоті при масовій концентрації 75 % і вище, проте вони нестійкі в розбавленій кислоті. Багато силікатів цілком стійкі в сірчаній кислоті будь-якої концентрації, але нестійкі в розчинах плавикової кислоти.
Залежно від природи агресивного середовища і умов роботи руйнування металів і сплавів може протікати по хімічному або електрохімічному механізму [3,8].
3.1 Електрохімічна корозія
Електрохімічна корозія виникає при дії на метали і сплави (провідники 1 роду) електролітів (провідники 2 роду), тобто розчинів солей, кислот, лугів, вологих газів і розплавів солей і лугів. Руйнування металів пов'язане з проходженням електричного струму в результаті утворення мікро- або макрогальванічних пар між ділянками металу з різним складом або різною активністю корозійного середовища.
При електрохімічній корозії одночасно протікають два процеси (на аноді катіони металу переходять в розчин, а на поверхні металу залишається еквівалентна кількість електронів):
На катоді надмірні електрони витрачаються в реакції з яким-небудь деполяризатором, яким найчастіше виступають іони водню в кислих середовищах або розчинений кисень. При цьому протікають наступні реакції:
Остання реакція частіше спостерігається в нейтральних середовищах. Електронна провідність металу і іонна провідність електроліту обумовлюють просторове розділення анодного і катодного процесів. Для роботи гальванічного елементу, наслідком якої є корозія металу, необхідна неоднорідність металу або навколишнього середовища: наявність в металі домішок, порушення структури металу або захисної плівки на його поверхні, нерівномірна деформація різних ділянок, непостійність складу розчину і розподілу кисню або неоднакова температура різних ділянок.
Швидкість корозійного руйнування металу залежить від ряду фізико-хімічних, теплових, гідродинамічних і механічних чинників. Найбільший вплив має склад і концентрація розчину, склад, структура і наявність механічної напруги, якість обробки поверхні металу, температура, швидкість руху розчину і його тиск.
Швидкість електрохімічної корозії сильно залежить від концентрації іонів водню (рН середовища). Кожному металу відповідає своє значення рН, при якому метал найбільш стійкий. Так, Та, Мо-пермалой, W стійкі в кислих і руйнуються в лужних розчинах, а Mn, Fe, Cu, Ni, Cr нестійкі в кислих середовищах, помірно стійкі в нейтральних розчинах і пасивуються в лугах.
На швидкість корозії впливає розчинність продуктів корозії. Якщо продукти корозії добре розчинні на анодних і катодних ділянках, то спостерігається постійна швидкість корозії, наприклад корозія заліза в розчинах хлоридів, сульфатів і нітратів лужних металів. В той же час в розчинах карбонатів, фосфатів і ціанідів на анодних ділянках металів групи заліза утворюються плівки нерозчинних продуктів корозії, що призводить до різкого зниження швидкості руйнування металу. Аналогічно нерозчинні продукти корозії утворюються на анодних ділянках свинцю в розчинах сірчанокислих солей і розбавленої сірчаної кислоти.
По впливу на швидкість корозії металів одні солі є активаторами, інші – пасиваторами. Активатори (наприклад, галогеніди лужних металів) сприяють утворенню рихлих, проникних плівок на поверхні металу, значно збільшуючи швидкість його руйнування. Пасиватори, до яких відносяться окисники (хромати, біхромати і перманганати), сприяють утворенню щільної захисної плівки на поверхні металу, що зменшує швидкість корозії заліза та сплавів на його основі. Підвищення концентрації солі-пасиватора призводить до зниження швидкості корозії металів. Низькі концентрації солей, що не є окисниками, в розчині збільшують швидкість руйнування металу унаслідок зростання електропровідності розчину, а при високих концентраціях швидкість корозії падає із-за зменшення розчинності кисню.
Швидкість електрохімічної корозії металів збільшується із зростанням концентрації безкисневих кислот, наприклад соляної. У сірчаній кислоті з масовою концентрацією 75 % і вище залізо і сплави на його основі достатньо стійкі. У лужних розчинах швидкість корозії заліза зменшується із зростанням концентрації NаOH до 30 %, подальше збільшення концентрації викликає зростання швидкості корозії.
Швидкість електрохімічної корозії з водневою деполяризацією зростає з підвищенням температури. Складніший вплив температури на швидкість, корозії з кисневою деполяризацією: зростання температури збільшує швидкість дифузійних процесів, електропровідність розчину і швидкість власне хімічної взаємодії, зменшуючи, одночасно, розчинність кисню. У закритих системах, де неможливе виділення кисню, зростання температури викликає майже лінійне збільшення швидкості корозії. У відкритих системах з підвищенням температури кисень виділяється з розчину, внаслідок чого знижується швидкість корозії при високих температурах.
Підвищення тиску, як правило, викликає збільшення швидкості корозії унаслідок зростання вмісту кисню в розчинах.
Швидкість руху розчину впливає на швидкість корозії вельми складно. При малих швидкостях рідини швидкість корозії зростає із-за збільшення надходження деполяризатора – кисню. У широкому інтервалі швидкостей розчину спостерігається пасивація поверхні, в даному випадку швидкість корозії не залежить від швидкості розчину. При високих швидкостях руху рідини швидкість корозії збільшується із-за руйнування захисної плівки. Дуже високі швидкості рідини (десятки метрів в секунду) призводять до виникнення кавітації, яка супроводжується інтенсивним руйнуванням багатьох металів і сплавів [3,4,8].