Какой металл может служить протектором для железа

Обновлено: 05.07.2024

Металлы вследствие своей высокой прочности, пластичности, износоустойчивости, тепло- и электропроводности являются наиболее важными конструкционными материалами.

В процессе эксплуатации в результате воздействия окружающей среды происходит их разрушение, так называемая коррозия.

Потери от коррозии в ведущих индустриальных странах составляют около 3-5% валового национального продукта, а затраты на возмещениекоррозионных потерь во всем мире исчисляются сотнями миллиардов долларов, поэтому раздел «Коррозия металлов и методы защиты их от коррозии» является одним из важнейших в курсе химии для инженерных специальностей.

Обычно корродируют металлы, которые встречаются в природе не в самородном состоянии, как Au, Pt, а в виде различных руд. На извлечение этих металлов из природных соединений расходуется значительное количество энергии (Ме +n + n? → Me 0 ; ΔG>0), которая накапливается в металлах, делая их термодинамически неустойчивыми, химически активными веществами (Ме 0 - n? → Me + n ; ΔG<0). В результате такого самопроизвольно протекающего коррозионного процесса металлы переходят в оксиды, гидроксиды, карбонаты, сульфиды и другие соединения и теряются безвозвратно.

Итак, коррозию можно определить как самопроизвольно протекающий окислительно-восстановительный процесс (ΔG<0) разрушения металла под воздействием окружающей среды, происходящий с выделением энергии (ΔН<0) и рассеиванием вещества (ΔS>0).

Механическое разрушение металлов, происходящее по физическим причинам, не называют коррозией, а называют эрозией, истиранием, износом.

По характеру разрушения поверхности коррозию подразделяют на сплошную и местную. Сплошная коррозия подразделяется на равномерную, если процесс окисления происходит по всей поверхности металла с одинаковой скоростью, и неравномерную – процесс окисления происходит по всей поверхности с различной скоростью на различных участках металла.

Местная коррозия подразделяется на коррозию пятнами, точечную, питтинг (углубленно-точечную), межкристаллитную (наиболее опасна, т.к. ослабляет связи между зернами структуры сплавов), растрескивающуюся, селективную (избирательную).

По механизму протекания различают следующие виды коррозии:

- электрохимическая (концентрационная, контактная, электрокоррозия);

- особые виды (биологическая, радиационная, ультразвуковая).

По характеру дополнительных воздействий различают:

- коррозию под влиянием механических напряжений;

- коррозию при трении;

- кавитационную коррозию (возникает при одновременном коррозионном и ударном воздействии агрессивной среды, когда лопаются пузырьки воздуха при работе лопастей гребного винта, роторов насосов).

Рассмотрим более подробно виды коррозии по механизму протекания.

Под химической коррозией понимают разрушение металлов окислением в окружающей среде без возникновения электрического тока в системе.

Газовая коррозия протекает при обычных условиях, но чаще при высоких температурах. Наблюдается при разливе расплавленных металлов, их термической обработке, ковке, прокатке, сварке и т.д.

Самый распространенный случай газовой коррозии – взаимодействие металла с кислородом:

Образующаяся при такой коррозии оксидная пленка в ряде случаев играет защитную функцию. Для этого она должна быть сплошной, беспористой, иметь хорошее сцепление с металлом, обладать твердостью, износостойкостью и иметь коэффициент термического расширения, близкий к этой величине для металла. Все эти качества оксидной пленки можно оценить по фактору Пиллинга-Бэдвордса (a). Металлы (щелочные, щелочноземельные), у которых a2O₃, ZnO, NiO и т.д.).

При значениях a значительно больше единицы пленки получаются неслошные, лекго отделяющиеся от поверхности металла (железная окалина). Коррозионно-активными газами, кроме кислорода, являются: угарный газ, углекислый газ, сернистый ангидрид, азот, его оксиды и галогены. Например, при разливе расплавленного алюминия, происходит его взаимодействие не только с кислородом, но и с азотом воздуха.

Жидкостная коррозия протекает, как правило, в жидких неэлектролитах: спиртах, хлороформе, бензоле, бензине, керосине и других нефтепродуктах. Ускоряет процесс жидкостной коррозии сера,кислород, галогены, влага, атакже повышенная температура (коррозия поршней в двигателях внутреннего сгорания),что можно описать уравнениями : Me(II) + R₁ – S – R₂ → MeS + R₁ – R₂

Me(I) + nR – Cl → MeCl + 1/2nR – R ,

где R₁ – S – R₂и nR – Cl углеводороды, содержащие серу и хлор.

Электрохимическая коррозия наиболее распространенный вид коррозии. Это разрушение деталей, машин, конструкций в грунтовых, речных, морских водах, под влиянием воды (росы), под воздействием смазочно-охлаждающих жидкостей, используемых при механической обработке металлов, атмосферная коррозия и т.д.

Электрохимическая коррозия – это пространственно разделенный окислительно-восстановительный процесс разрушения металла, протекающий в среде электролита, с возникновением внутри системы электрического тока, называемого коррозионным током.

Рассмотрим химизм атмосферной коррозии стального изделия. Сталь – это сплав железа с углеродом, в котором углерода менее 2%, например, цементит (Fe₃C₄). При электрохимической коррозии во влажном воздухе (О₂ + 2Н₂О) железо и цементит образуют микрогальванопару, в которой роль анода выполняет железо, а цементит – роль катода.

Схема процесса:

Анодный процесс: Fe 0 - 2? → Fe 2+ 2 поляризация

Катодный процесс: 2H₂O + O₂ + 4? → 4OH - 1 деполяризация

Суммарное уравнение коррозионного процесса разрушения стального изделия, находящегося во влажном воздухе:

Для железа более характерна степень окисления (3+), поэтому процесс окисления идет дальше:

4Fe(OH)₂+2H₂O+O₂→4Fe(OH)_3, образующийся Fe(OH)₃ при нагревании может терять воду.

То есть продуктами коррозии железа (ржавчина) является смесь различных соединений. Если учесть, что в воздухе присутствуют углекислый газ, сернистый газ, следовательно, могут образовываться и соли железа.

Часто из-за различной рельефности металлических конструкций, в том числе и стальных, на некоторых участках скапливается вода, при этом происходит так называемая концентрационная коррозия, обусловленная различной концентрацией деполяризатора кислорода (в случае атмосферной коррозии), водорода (в кислой среде) на различных участках металла. Там, где концентрация деполяризатора больше (края капли воды), формируется катодный участок, где концентрация деполяризатора меньше (центр капли воды) – анодный участок (рис.15).

После высыхания капли в её центре обнаруживается углубление, а иногда даже и отверстие (для пластин толщиной 0,1-0,2 мм). Такие процессы часто наблюдаются при атмосферной и почвенной коррозии железных и стальных изделий (троса, стопки листов и т.д.) – точечная коррозия, переходящая в питтинг. Следует отметить, что хотя конечный продукт коррозии (ржавчина) нерастворим, однако он не препятствует процессу растворения металла, поскольку формируется за пределами анодного участка (на границе соприкосновения его с катодами) в виде кольца внутри капли.

На практике часто встречаются случаи, когда металлы различной активности находятся в контакте друг с другом, образуя гальванопары. Кроме того, технические металлы содержат примеси других металлов, сплавы содержат различные металлы. Такой металл или сплав, находясь в среде электролита, дает множество микро - и макрогальванопар, в которых анодом является более активный металл, т.е. металл с меньшим значением электродного потенциала, именно он и подвергается коррозии.

Рассмотрим случай контактной коррозии с водородной деполяризациейцинка и меди, в сернокислой среде. Цинк и медь, имеют различные значения электродных потенциалов. Более активным в этой гальвано паре является цинк (Е 0 _Zn_2+/_Zn = -0,76 В), он имеет меньшее значение электродного потенциала и будет анодом, т. е именно цинк будет подвергаться коррозионным процессам, менее активным металлом является медь (Е 0 _Cu_2+/_Cu = +0,34 В), она будет катодом.

Запишем схему: (А) Zn | H₂SO₄ | Cu (K)

Анодный процесс: Zn 0 - 2? → Zn 2+

Катодный процесс: 2Н + + 2? → Н₂ деполяризатор

Суммарное ионное уравнение: Zn + 2H + → Zn 2+ + H₂

Факторы, влияющие на скорость коррозии:

а) напряжение и деформация при механической обработке металлов;

б) перемешивание агрессивной среды;

в) дифференциальная аэрация;

д) кислотность среды (рН).

Рассматривая фактор (д) обратите внимание, что электродные потенциалы металлов существенно зависят от состава электролита и рН среды. Так, в случае контактной (Al-Zn) коррозии в 1М растворе HCl

возникает гальвано пара, в которой роль анода выполняет Al, а катода- Zn, схема такого процесса: (А) Al | HCl | Zn (K)

В 0,1 М растворе HCl в этом случае большую активность имеет цинк, он будет в гальвано паре анодом, алюминий – катодом, а схему запишем так: (А) Zn | HCl | Al (K)

Электрокоррозия – протекает под действием блуждающих токов, возникает от постоянных источников тока (электротранспорт, трансформаторы, линии электропередач). Рассматривая коррозию под действием блуждающих токов, надо помнить, что место выхода тока – будет анодным участком, входа тока – катодным, участок протекания тока – нейтральной зоной. Радиус действия блуждающих токов может достигать нескольких десятков километров. Ток силой 1А за год разрушает до 3 кг алюминия, 9 кг железа, 11 кг цинка или меди, 34 кг свинца.

ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ

Потери от коррозии в мировой экономике огромны. Около 1/3 вводимого в эксплуатацию металла подвергается коррозии, при этом примерно 10% теряется безвозвратно.

Борьба с коррозией осуществляется различными методами. Наиболее рациональный и надежный путь – изготовление аппаратов и машин изкоррозионно-стойких металлических или неметаллических материалов,но из-за дороговизны таких материалов, чаще используют дешевые и доступные металлы с последующей защитой их от коррозии. Полностью избежать коррозии невозможно, но, применив определенные методы защиты, можно снизить ее воздействие.

Можно условно выделить следующие группы методов защиты металлов от коррозии:

1. Создание рациональных конструкций, т.е. таких, которые не имеют застойных зон и других мест скопления влаги, грязи и других коррозионно-агрессивных сред, допускают быструю очистку и аэрацию.

2. Легирование металлов. Это эффективный, хотя обычно дорогой метод повышения коррозионной стойкости металлов. При легировании в состав сплава вводят компоненты (Cr, Ni, W, Si, V, Mo, Re и другие), вызывающие пассивирование металла. Механизм защиты (например, в нержавеющих сталях) состоит в образовании на поверхности плотных оксидных слоев, типа шпинелей состава NiO . Cr₂O, FeO . Cr₂O₃, которые оказываются более устойчивыми, чем просто оксиды хрома или никеля.

3. Создание аморфных структур металлов. Путь к этому способу защиты открыла сверхбыстрая закалка. Расплавленный металл из тигля подают в тончайший зазор между двумя массивными валками и подвергают формированию и резкому охлаждению. В этих условиях атомы не успевают выстраиваться в присущие металлам кристаллические решетки, фиксируется «хаос атомов», свойственный расплавленному металлу. В результате получается аморфная структура, подобная стеклу, резко возрастает коррозионная устойчивость металлов.

4. Защитные покрытия – самый распространенный метод защиты металлов от коррозии. Смысл их нанесения – изоляция от агрессивной среды. Различают неметаллические и металлические покрытия.

а) неметаллические покрытия получают нанесением на поверхность металла лака, краски, смолы, олифы, эмали или стеклоэмали. Поверхность металла покрывают также резиной, эбонитом, полимерными материалами, цементом, бетоном, оксидными пленками: ZnO, Al₂O₃ (оксидирование) и нитридными пленками: Fe₄N, Fe₂N (азотирование). Покрыть поверхность металла можно осаждением нерастворимых фосфатов этого металла: Fe(H₂PO₄)₂ + 2 Fe 2+ ® Fe₃(PO₄)₂¯ + 4H ( фосфатирование) или насыщением поверхности металла углеродом (цементация).

б) защитные покрытия металлами. Для этого используют коррозионно-устойчивые металлы (Sn, Zn, Al, Au, Ag, Ni, Cr и др.) Различают анодные и катодные металлические покрытия. Если защищаемый металл покрывают более активным металлом, то такое покрытие называют анодным. При нарушении покрытия разрушается металл покрытия. Рассмотрим это на примере оцинкованного железа. Составим схему коррозионного разрушения.

A: Zn 0 - 2? → Zn 2+ 2

Если защищаемый металл покрыт менее активным металлом, например, железо покрыто оловом, то такой вид покрытия называется катодным. При нарушении покрытия разрушается основной металл. Рассмотрим этот случай коррозии.

(А) Fe | 2H + | Sn (K)

A: Fe 0 - 2? → Fe 2+ 1

Fe + 2H + → Fe 2+ + H₂

5. Электрохимические методы защиты:

а) защита внешним потенциалом);

б) анодная (протекторная).

Защита внешним потенциалом (чаще катодная) осуществляется подключением защищаемой конструкции к отрицательному полюсу (катоду) внешнего источника тока с очень малым напряжением (0,1 В). К положительному полюсу подсоединяется лом, который и разрушается. Этот вид защиты используют для металлических сооружений: трубопроводов, резервуаров и т.д.

Протекторная защита заключается в том, что к изделию, подвергающемуся электрохимической коррозии, подключают деталь – протектор из более активного металла, чем металл изделия. Протектор будет разрушаться, а изделие останется неизменным. Применяют в паровых котлах, для защиты корпусов морских и речных судов, трубопроводов, рельсов и т.д.

Задача. Приведите пример протекторной защиты в электролите, содержащем растворенный кислород. Составьте уравнения анодного и катодного процессов и вычислите ЭДС реакции.

Решение. Протекторная защита осуществляется путем присоединения к железу более активного металла, обычно цинка, магния и их сплавов. Таким образом, создается искусственный микрогальванический элемент. Чаще всего используют протекторную защиту в растворах электролитов (паровые котлы, химические аппараты), в морской воде и в почве (защита трубопроводов). Рассмотрим протекторную защиту от почвенной коррозии:

Среда нейтральная или слабощелочная, так как концентрация солей невелика. В этом, созданном нами, коррозионном элементе анодом служит протектор (цинк), он растворяется.

Анод: Zn 0 – 2 ® Zn 2+ .

Электроны передаются на железо. Деполяризатором в этом случае является кислород.

Катод: O₂ + 2H₂O + 4® 4OH - ; E 0 = 0,40 B.

ЭДС реакции определяем: DЕ = Е_катода – Е_анода = 0,40 – (-0,75) = 1,16 В.

Ответ: протектор Zn, он окисляется и защищает железо; DЕ = 1,16 В.

6. Воздействие на агрессивную среду. Для замедления коррозии в агрессивную среду вводят вещества, называемые ингибиторами (замедлителями). Это чаще всего органические вещества, пассивирующие поверхность металла: тиомочевина C(NH₂)₂S, диэтиламин C₂H₅ — NH — C₂H₅, уротропин (CH₂)₆N₄, неорганические вещества SiO₃ 2- , NO₂ - , Cr₂O₇ 2- , а также освобождение воды от растворенного в ней кислорода (воду фильтруют через слой железных опилок). Либо удаляют активаторы коррозии, например, ионы Cl - , Br - , F - , SO₄ 2- , NO₃ - .

Литература:

1. Фролов В.В. Химия. Гл.V, §51-56.

3. Общая химия под ред. Соколовской Е.М. и др. Гл.6, §1-11.

4. Абраменко В.Л. Методические указания к самостоятельному изучению темы “Коррозия и защита металлов от нее”. Луганск, 1991 г.

Недорого и эффективно — протекторная защита от ржавчины

Несмотря на повсеместное применение пластика, металлические трубопроводы по-прежнему широко применяются для транспортировки кислот, щелочей, газов, нефтепродуктов и пр. Такие сооружения со временем начинают приходить в негодность из-за атмосферной, химической и других видов коррозии. Несмотря на то, что это естественный процесс, его, тем не менее, можно замедлить. Для этого и существует протекторная защита металла от коррозии.

Причины повреждения металлических конструкций

Химические реакции. Разрушение происходит при взаимодействии металла с различными химическими соединениями (кислотами, щелочами и пр.). Возникающая как продукт химической реакции ржавчина последовательно разъедает трубопровод.
Электрохимические процессы. Этот вид коррозии один из самых агрессивных. Появляется, если труба или судно находится в электролите, где образовываются катоды и аноды. Возникающая ржа быстро распространяется, повреждая самый толстый металл.
Атмосферные явления. При взаимодействии металла с водой, паром, воздухом выделяется оксид железа, который и разрушает сооружение.

Перед планированием работ по защите от коррозии необходимо провести оценку факторов, влияющих на металлическую поверхность.

Защита металла от коррозии

обработка химическими составами;
покрытие стенок защитными материалами;
предупреждение блуждающих токов;
организация катода или анода.

Пассивные действия. Во время монтажа трубопровода до прилежащей почвы оставляют некоторый зазор. Он предупреждает попадание грунтовых вод с примесями на металлическую поверхность. Трубопровод покрывают специальными составами, которые защищают металл от негативного воздействия грунта. Затем наносят специальные химические вещества, образующие защитную пленку на металлической поверхности.
Активная защита. Создается электродренажная система, защищающая трубопровод от блуждающих токов. Металлическую поверхность от разрушения защищают созданием анода или катода.

Что такое протекторная защита?

Протекторная защита — вариант антикоррозийной обработки, которая предполагает контакт металлической предохраняемой поверхности с протектором – ингибитором, более активным металлом. Под воздействием воздуха ингибитор предохраняет основное изделие (трубопровод, систему водоснабжения или отопления, корпус корабля и пр.) от разрушения.

Протекторная защита металлов от коррозии является оптимальной при отсутствии возможности проведения специальных электрических линий для создания эффективной катодной защиты перед электрохимической ржавчиной либо при нецелесообразности такого метода. Применять протекторную защиту целесообразно на малогабаритных объектах либо в случаях, когда поверхность обрабатываемого сооружения покрыта изоляционным материалом.

Протектор может полностью предохранить от повреждения основной объект в случае, если показатель переходного сопротивления между объектом и окружающей средой незначительный.

Но протекторная защита от коррозии имеет положительный эффект только на каком-то расстоянии, то есть каждый из видов протекторов имеет свой радиус антикоррозийного действия. Это максимальное расстояние протектора от предохраняемого объекта.

Для антикоррозийной защиты применяют установки, которые состоят из одного или нескольких протекторов, соединительных кабелей и контрольно-измерительных участков. Если есть необходимость, то в схему включают шунты, регулирующие резисторы, поляризованные элементы. Монтируют установки ниже уровня промерзания грунта (не менее 1 метра). Располагают протектор на расстоянии 3 — 7 метров от защищаемого сооружения. Более близкое может спровоцировать повреждение изоляционного слоя солями растворяющегося ингибитора.

Менее активный металл восстанавливается.
Протектор окисляется, защищая основное сооружение от коррозии.

Так как во время активного взаимодействия с окружающей средой и трубопроводом протектор полностью «растворяется» или просто теряет контакт с предохраняемым сооружением, то защитный механизм периодически необходимо восстанавливать.

Особенности протекторной защиты

Учитывая физико-химические особенности такой защиты металлических сооружений, можно сделать вывод о нецелесообразности применения протектора в случае, если конструкция эксплуатируется в кислых средах. Протекторная защита рекомендована к применению, если сооружение находится в нейтральной среде (грунт, вода, воздух и пр.).

Чтобы защитить железный трубопровод, в качестве протектора имеет смысл использовать кадмий, хром, цинк, магний (более активные металлы). Но и при их использовании существует ряд нюансов.

Например, чистый магний имеет высокую скорость ржавления, чистый цинк из-за крупнозернистой структуры растворяется неравномерно, алюминий быстро покрывается оксидной пленкой. Чтобы предотвратить негативные явления, в чистое вещество, которое будет служить протектором, вводят легирующие составляющие. Фактически протектором выступает не чистый металл, а его сплав с другими веществами.

Магниевая защита

Чаще всего в качестве защиты применяют сплавы магния. Легирующими компонентами состава выступают алюминий (максимум 7 %), цинк (до 5 %), также вводят медь, свинец и никель, но их суммарная доля не превышает сотой части состава. В качестве протектора такие составы могут применяться в средах с показателем кислотности не выше 10,5.

Даже в составе сплава магний быстро растворяется, а потом на его верхнем слое появляются труднорастворимые соединения. Магниевые сплавы имеют существенный недостаток — после нанесения они могут спровоцировать растрескивание металлических изделий, способствовать возникновению повышенной водородной хрупкости.

Цинковая защита

Альтернативой магниевому сплаву для защиты конструкций, расположенных в соленой воде, выступают цинковые составы. Легирующими компонентами для цинка становятся кадмий (максимальный показатель 0,15 %), алюминий (менее 0,5 %) и незначительное количество железа, свинца и меди (суммарно до 0,005 %). От влияния морской воды такой протектор будет идеальным, но в нейтральных средах протекторы из цинкового сплава быстро покроются оксидами и гидроксидами, сведя на нет весь антикоррозийный комплекс.

Цинковые сплавы выступают как протекторы от коррозии, обеспечивая максимальную взрыво- и пожарную безопасность. Этими составами целесообразно обрабатывать трубопроводы для горючих и взрывоопасных веществ, например, газа. Еще один «балл» в свой актив такие составы получают за экологическую безопасность – при анодном растворении не образуется загрязняющих веществ. Поэтому цинковые композиции часто применяются для коррозийной защиты нефтепроводов, а также для транспортирующих нефть танкеров и судов.

От воздействия проточной соленой воды обычно применяют алюминиевые составы. В сплав также вводят цинк (до 8 %), магний (до 5 %) и индий с кремнием , таллием и кадмием с незначительной долей (до 0,02 %). Добавки предупреждают возникновение окислов на алюминии. Также алюминиевые сплавы пригодны в условиях, где используется магниевая защита.

Обработка агрессивных жидкостей

Повреждение металлических конструкций происходит как снаружи, так и внутри. Даже жидкость с нейтральным уровнем кислотности (вода) может быстро разрушить трубопровод, если в ее составе содержатся бикарбонаты, карбонаты, кислород, которые являются причиной возникновения ржавчины. Обычная очистка внутренних поверхностей в таких сооружениях невозможна. Оптимальным выходом будет предварительное введение в жидкость соды, карбоната натрия или кальция. Такой обработкой воды можно снизить агрессивность транспортируемой жидкости.

Подземные емкости, изготовленные из цинковых сплавов, защищают путем введения в транспортируемую или хранящуюся среду силикатов, фосфатов или поликарбонатов. В результате химической реакции на цинковой поверхности появляется тонкая пленка, предупреждающая развитие ржавчины.

Преимущества и недостатки протекторной защиты

простота, автономность и экономичность благодаря отсутствию источника тока и использованию магниевых, алюминиевых или цинковых сплавов;
возможность формирования одиночных или групповых установок;
возможность применения протекторной защиты, как для проектируемых объектов, так и для уже эксплуатируемых конструкций;
организация защиты практически в любых условиях, где невозможно или нецелесообразно сооружать источники тока;
при правильном использовании система может работать достаточно долго без всякого обслуживания;
безопасность и возможность применения на взрывоопасных объектах (ввиду малости напряжений).

Ограниченность применения способа в плохо проводящих ток средах.
Безвозвратные потери протектора.
Возможность загрязнения прилегающих территорий.

Как увеличить эффективность протекторов?

Чаще всего протекторные композиции применяются совместно с лакокрасочными составами, имеющими антикоррозийные свойства. Лакокрасочная защита самостоятельно не дает нужного эффекта, но при сочетании с протектором:

позволяет устранить изъяны покрытия металлического сооружения, которые возникают в процессе эксплуатации (вспучивание, отслоение, набухание металла, появление трещин и пр.);
снижает расход протекторных составов, увеличивая срок службы (при довольно высокой стоимости защитных сплавов это значимый эффект);
обеспечивает равномерное распределение защитного тока по поверхности металлического трубопровода.

Конечно, на эксплуатируемое судно или резервуар нанести лакокрасочный состав довольно сложно. В этом случае лучше отказаться от его применения, а использовать только протекторы.

Резюме

Практически все эффективные методы защиты от коррозии требуют расхода электрического тока. Протекторный способ позволяет предупредить ржавчину простым нанесением дополнительного слоя защитного сплава на трубу.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ

Одним из основных способов является нанесение защитных покрытий на изделия. Защитные покрытия - слои, искусственно создаваемые на поверхности металлических изделий для предохранения их от коррозии. Защитные покрытия делятся на неметаллические неорганические (оксидные, фосфатные, хроматные), неметаллические органические (лакокрасочные и полимерные) и металлические покрытия. Покрытия неметаллические неорганические и органические механически защищают металлы от коррозии, изолируя их от контакта с внешней средой.

Металлические покрытия по характеру защитного действия делятся на анодные и катодные.

а) анодным называется покрытие, стандартный потенциал которого меньше, чем у защищаемого металла. При нарушении слоя анодного покрытия возникают коррозионные Г.Э., в которых металл покрытия играет роль анода и корродирует, а на защищаемом металле - катоде - восстанавливается окислитель. Например, для железа j 0 (Fe 2+ /Fe) = -0,44B анодными будут покрытия – цинк, j 0 (Zn 2+ /Zn) =-0,76В, хром (j 0 (Cr 3+ /Cr) = -0,71В)

б) катодным называется покрытие, стандартный потенциал которого больше, чем у защищаемого металла. При нарушении катодного покрытия образуется ГЭ, в котором металлическое покрытие будет катодом, а защищаемый металл – анодом.

Например, катодные покрытия для меди (j 0 (Сu 2+ /Сu) = +0,337В) - серебро (j 0 (Ag + /Ag) = 0,799B, золото (j 0 (Au + /Au) = 1,68B).

Протекторная защита - к изделию присоединяют металл или сплав, потенциал которого значительно меньше потенциала изделия. Такие металлы или сплавы называются протекторами, чаще всего это Al, Mg, Zn. В коррозионной среде металл протектора растворяется, а на защищаемом металле протекают катодные процессы.

Пример 10 Подберите протектор для защиты изделия из сплава Sn-Pb от коррозии в водном растворе с рН = 1; Составьте уравнения процессов коррозии.

Анодный: А(Mn) : Mn – 2e® Mn 2+ х3

Катодный К(Sn-Pb): 2H + + 2e ®H₂ - водородная деполяризация

O₂ + 4H + +4e ® H₂O - кислородная деполяризация

Суммарный процесс: 3Mn + 6H + + O₂ ® 3Mn 2+ =H₂ + H₂O

61. Медный кабель находится в свинцовой оболочке. Среда – влажный воздух с рН = 7. Что будет корродировать, при нарушении оболочки? Напишите уравнения электродных процессов и суммарной реакции коррозии. Составьте схему коррозионного Г.Э.

62. Определите, какой из металлов: никель, кадмий или марганец является протектором для конструкции из железа. Опишите электродные и суммарный процессы коррозии во влажной среде с рН = 8.

63 Определите, какой металл будет растворяться при коррозии сплава никель-кобальт в растворе щелочи с рН =12. Напишите уравнения электродных процессов и суммарной реакции.

64. Деталь из латуни ( сплав медь-цинк ) помещена в раствор с рН = 11. С какой деполяризацией будет протекать коррозия? Напишите уравнения электродных и суммарного процессов коррозии. Будут ли при коррозии протекать побочные процессы?

65. Подберите анодное покрытие для серебра. Определите, с какой деполяризацией будет протекать коррозия при нарушении покрытия во влажной среде с рН = 5. Напишите уравнения электродных процессов и суммарной реакции коррозии.

66. Деталь из сплава хром-никель находится в щелочном растворе с рН = 10, кислород отсутствует. Какой из компонентов сплава будет растворяться при коррозии. Составьте уравнения электродных процессов, нарисуйте схему коррозионного Г.Э.

67. Составьте уравнения электродных процессов и суммарной реакции, происходящих при атмосферной коррозии (рН = 7) луженого железа и луженой меди в случае нарушения целостности покрытия.

68. Будет ли корродировать деталь из сплава кадмий-олово в 0,001М растворе серной кислоты в отсутствии кислорода? Опишите уравнения электродных процессов, если коррозия возможна.

69. Можно ли хранить в контакте магний и алюминий во влажной среде с рН = 7? Ответ мотивируйте.

70. Алюминиевые детали изделия склепаны медными заклепками. Какие процессы происходят в местах контакта алюминия и меди в морской воде с рН = 6,5?

71. Подберите катодное и анодное покрытия для кобальта. Опишите процессы коррозии в кислой среде с рН = 2 в присутствии кислорода при нарушении целостности катодного и анодного покрытий.

72. В контакте с каким из металлов: цинком, кобальтом, медью кадмий будет корродировать? Напишите уравнения электрохимической коррозии в кислой среде с рН = 5.

73. Возможна ли коррозия серебра в средах : а) с рН = 2, б) с рН =12. Опишите процессы коррозии, нарисуйте схему коррозионного Г.Э.

74. Какой из металлов: медь или никель – будет корродировать в растворе соляной кислоты с концентрацией С = 0,001М в отсутствии кислорода. Напишите электродные реакции и суммарный процесс коррозии. Нарисуйте схему коррозионного Г.Э.

75. Напишите электродные реакции и суммарные процессы коррозии железа во влажной среде с рН = 5

а) в присутствии кислорода, б) без кислорода.

76. Магний корродирует в растворе хлорида натрия при контакте раствора с воздухом. Напишите электродные реакции и суммарный процесс коррозии, если рН = 7.

77. Для какого из металлов: цинка, марганца или олова кадмий может служить протектором при защите от коррозии в водном растворе с рН = 10.Напишите уравнения электродных процессов и суммарной реакции коррозии. Составьте схему коррозионного Г.Э.

78. Каким покрытием является хром – катодным или анодным – по отношению к алюминию. Какой из металлов будет корродировать в случае нарушения поверхностного слоя покрытия в атмосфере влажного воздуха с рН = 6,5. Составьте схему коррозионного Г.Э.. Напишите уравнения электродных процессов при коррозии.

79. Изделие из хрома, спаянного со свинцом, находится в водном растворе с рН = 10. Опишите электродные процессы и суммарную реакцию процесса коррозии изделия. Подберите к изделию протектор.

80. Какой из перечисленных металлов: золото, медь, серебро, - будет разрушаться в атмосфере влажного воздуха при рН = 7. Напишите уравнения электродных процессов и суммарной реакции для коррозии этого металла. Составьте схему коррозионного Г.Э. Подберите для этого металла анодное покрытие.

81. Какие из приведенных металлов:Fe, Pb, Sn, Cu , будут корродировать в водных средах в отсутствии кислорода:а) рН = 2; б) рН =7. Напишите уравнения электродных процессов и суммарной реакции металла в кислой среде.

82 Приведена схема коррозионного гальванического элемента в растворе серной кислоты при нарушении целостности хромового покрытия на железе.

Определите, с какой деполяризацией будет протекать процесс. Напишите уравнения процессов коррозии и укажите деполяризаторы процесса.

83. Подберите анодное покрытие для сплава олово-никель. Напишите электродные процессы и суммарную реакцию коррозии во влажном воздухе при рН = 6 в случае нарушения целостности покрытия. Составьте схему образующегося коррозионного гальванического элемента.

84. В контакте находятся серебро и свинец. Какой из металлов будет корродировать и с какой деполяризацией в растворе с рН = 12. Напишите уравнения коррозионного процесса. Составьте схему коррозионного Г.Э.

85. Каким является цинковое покрытие на меди – катодным или анодным. Опишите процессы коррозии в щелочном растворе с рН = 8 при нарушении покрытия. Составьте схему коррозионного Г.Э.

86. Никель покрыт золотом и находится в растворе соляной кислоты. Коррозия никеля происходит при нарушении целостности покрытия в результате работы гальванического коррозионного элемента: опишите процессы коррозии и составьте схему коррозионного Г.Э.

87. Подберите к олову катодное и анодное покрытия. Напишите уравнения электродных процессов и суммарной реакции во влажном воздухе с рН = 4,5: а) при нарушении целостности катодного покрытия; б) при нарушении целостности анодного покрытия.

88. Какой из металлов(никель, железо, алюминий) может быть протектором от коррозии кадмия в растворе с рН = 10. Напишите уравнения протекающего процесса коррозии с выбранным протектором. Составьте схему коррозионного Г.Э.

89. Какие металлы (железо, олово, медь, серебро, цинк) будут разрушаться в воде (рН = 7), из которой удален кислород? Для одного из корродирующих металлов напишите уравнения электродных процессов и суммарной реакции коррозии. Составьте схему коррозионного Г.Э.

90. Напишите уравнения электродных реакций и суммарного процесса коррозии кобальта в водном растворе с рН =3: а) в присутствии кислорода, б) в отсутствии кислорода. Составьте схемы коррозионных Г.Э.

Металлические защитные покрытия (анодные, катодные).

Неметаллические защитные покрытия. Электрохимические методы защиты от коррозии.

Методы защиты от коррозии можно объединить в следующие группы:

1) нанесение защитных покрытий и пленок;

2) изменение электрохимического потенциала защищаемого материала по отношению к среде на границе фаз;

3) модификация коррозионной среды.

Борьба с коррозией с применением защитных покрытий является наиболее распространенным способом. В качестве защитных применяют металлические и неметаллические покрытия.

Металлические покрытия могут быть выполнены из металла более или менее благородного, чем подложка. В связи с этим они делятся на две группы: катодные и анодные покрытия.

К катодным покрытиям относятся те покрытия, электрохимический потенциал которых в данных условиях больший, чем у защищаемого металла. На алюминий почти всегда наносят катодные покрытия. Покрытия из благородных металлов на стали имеют такой же характер. Катодные покрытия защищают металл только благодаря его изоляции от атакующей среды. Поэтому свою роль они выполняют только при наличии полной сплошности. Если в катодном покрытии образуется щель, то в условиях коррозии она становится катодом, а открытая часть защищаемого металла – анодным элементом. Анодная поверхность при этом значительно меньше, чем катодная. Электрохимическое разрушение металла концентрируется на небольшой поверхности. Учитывая опасности, кроющиеся в возможных несплошностях катодных покрытий, их делают сравнительно большой толщины.

Анодные покрытия – это покрытия, выполненные из металла, у которого электродный потенциал меньше, чем у защищаемого металла. Для железа, работающего в малокислых или нейтральных растворах, анодными покрытиями являются цинк, алюминий. Защитные свойства анодных покрытий состоят не только в механической изоляции металла от коррозионной среды. Они заключаются еще и в электрохимическом воздействии. В случае нарушения покрытия и образования коррозионного элемента, защищаемый металл, являющийся катодом, не разрушается. Небольшие несплошности в анодных покрытиях не опасны.

Металлические покрытия наносят электроосаждением, погружением в расплавленные металлы, металлизацией напылением, химическим осаждением солей, диффузией и т. д. В последнее время все большее распространение получает нанесение покрытий в вакууме.

Неметаллические покрытия применяются в случае возникновения химической реакции металла в соответствующих средах. К ним, в частности, относят оксидные алюминиевые покрытия, полученные в ходе специального электролитического процесса. Фосфатные покрытия применяются в большинстве случаев с дополнительными защитными средами, как, например, краски, лаки и т. п. Фосфатирование стали состоит в погружении изделия в разбавленный раствор фосфорной кислоты и кислых фосфатов цинка или магния. В результате реакции образуется нерастворимый фосфат железа, который в ходе процесса плотно покрывает поверхность металла. К этой же группе относят керамические покрытия и стекловидные эмали. Эти покрытия достаточно стойки к воздействию минеральных и органических кислот. Их недостатком является повышенная хрупкость и низкая стойкость в условиях резких перепадов температуры.

Одним из самых популярных способов защиты металла от коррозии является нанесение неметаллических составов. Это может быть пластик, керамика, каучук, битум, полиуретан, лакокрасочные составы и многое другое. Причем последние представляют собой наиболее широкий ассортимент и могут применяться в зависимости от условий среды, в которых будет использоваться изделие. Так выделяют лакокрасочные покрытия, устойчивые к действиям воды, атмосферы, химическим растворам и т. д.

К органическим покрытиям относятся разнообразные лакокрасочные материалы.

Знание механизма коррозии позволило создать методы коррозионной защиты путем наложения на металл такого потенциала, при котором он становится термодинамически устойчивым. К таким методам относятся катодная защита и уменьшение агрессивности среды, окружающей металлоконструкцию.

Катодная защита состоит в присоединении к защищаемой конструкции анода-протектора с более отрицательным электрохимическим потенциалом. Протектор (лат. protector – покровитель, защитник) и служит таким анодом, препятствующим разрушению защищаемого сплава; сам протектор при коррозии постепенно разрушается.

Протектором может являться любой металл, имеющий по отношению к данному сплаву более отрицательный потенциал. Однако разница в потенциалах не должна быть слишком большой, чтобы при электрохимическом процессе не происходило быстрого разрушения протектора.

Протекторы представляют собой обычно небольшие пластинки, присоединяемые к защищаемой детали заклепками или болтами. Катодную или протекторную защиту широко применяют при защите от морской и подземной коррозии металлоконструкций, коммуникаций, трубопроводов, сосудов и т. д. В качестве анодов-протекторов для защиты стальных изделий обычно применяют сплавы магния или цинка. Защита может также осуществляться присоединением защищаемого металла к отрицательному полюсу постоянного тока.

Для уменьшения агрессивности окружающей среды в нее вводят добавки, называемые ингибиторами коррозии, которые или способствуют пассивации металла, или значительно снижают скорость его коррозии. Условием использования ингибиторов является эксплуатация изделия в замкнутой среде постоянного состава.

Различают анодные и катодные ингибиторы. В качестве анодных ингибиторов коррозии используют различные вещества, образующие нерастворимые соединения на анодных участках. Одним из таких пассиваторов является хромпик К2Сr207, вводимый в количестве 2 – 3 г/л в раствор охлаждающей жидкости.

Катодные ингибиторы тормозят катодный процесс. К их числу относятся различные травильные присадки, добавляемые в количестве 1 – 2 % в кислоты для снятия окалины без разрушения основного металла.

Летучие ингибиторы, такие как нитрат натрия NaNO2, применяют для пропитки бумаги, в которую заворачивают детали, подлежащие хранению или транспортировке. Испаряясь, они насыщают окружающее детали пространство, создавая защитную газовую среду. Летучие ингибиторы отличаются высокой эффективностью. Стальные изделия, завернутые в бумагу, обработанную NaNO2, в условиях относительной влажности 85 % не ржавеют в течение 5 лет. Преимуществом летучих ингибиторов является отказ от применения защитных покрытий, удобство расконсервации и постоянная готовность деталей к немедленному использованию без дополнительной обработки.

Суть электрохимической защиты

К готовому металлическому изделию извне подключается постоянный ток (источник постоянного тока или протектор). Электрический ток на поверхности защищаемого изделия создает катодную поляризацию электродов микрогальванических пар. Результатом этого является то, что анодные участки на поверхности металла стают катодными. А вследствии воздействия коррозионной среды идет разрушение не металла конструкции, а анода.

Протекторная защита изделий из металла от коррозии – эффективно и надежно

Протекторная защита трубопроводов и других металлических изделий от коррозии представляет собой один из вариантов предохранения разнообразных конструкций от негативных коррозионных явлений.

1 Суть протекторной защиты металлов от коррозии

Данная антикоррозионная защита подразумевает присоединение к предохраняемой металлической поверхности специального протектора – металла с более электроотрицательными характеристиками. При растворении под действием воздуха такой протектор начинает выполнять свою функцию, которая состоит в предохранении основного изделия от разрушения.

По сути, протекторная защита трубопроводов и иных магистралей от коррозии является одним из видов катодной электрохимической методики.

Описываемый способ антикоррозионной обработки оптимален для ситуаций, когда у предприятия нет возможности возвести специальные электрические линии для организации эффективной катодной защиты от электрохимической коррозии либо их строительство признается экономически нецелесообразным. Протектор полностью выполняет свои задачи при условии, что величина переходного сопротивления между средой, окружающей обрабатываемый объект, и этим самым объектом невелика.

Протекторная защита изделий из металла от коррозии является результативной лишь на каком-либо конкретном расстоянии. Для того, чтобы установить данное расстояние, вводится понятие радиуса антикоррозионного действия используемого протектора. Он указывает на наибольшее удаление металла-защитника от предохраняемой конструкции.

Сущность коррозии металлов такова, что менее активный из них при взаимодействии станет присоединять к своим ионам электроны более активного, которые будут производиться активным компонентом системы. В результате происходит сразу два одновременных процесса:

восстановление менее активного металла (он является катодом);
окисление менее активного металла-анода, благодаря чему и происходит антикоррозионная защита газопровода, иной магистральной сети, какой-либо металлоконструкции.

Через определенное время действие протектора заканчивается (из-за утраты контакта с предохраняемым металлом либо при полном растворении "защитника"), после чего потребуется выполнить его замену.

2 Антикоррозионная защита при помощи протекторов – особенности методики

Применение протекторной защиты от коррозии трубопроводов и конструкций из металла в кислых средах не имеет смысла, что обусловлено повышенным темпом саморастворения протектора. Она рекомендуется для использования в нейтральных средах, будь то обычный грунт, речная или морская вода.

По отношению к железу более активными являются следующие металлы – магний, хром, кадмий, цинк и некоторые другие. Теоретически именно их следует применять для защиты газопровода либо другой конструкции. Но здесь имеется ряд нюансов, которые обуславливают технологическую нецелесообразность использования чистых металлов в качестве "защитников".

Магний в чистом виде, например, характеризуется повышенной скоростью собственного ржавления, на алюминии очень быстро появляется оксидная толстая пленка, а цинк без каких-либо примесей ввиду своей дендритной крупнозернистой структуры имеет свойство растворяться крайне неравномерно. Чтобы нивелировать все эти негативные явления, в чистые металлы, предназначенные для защиты трубопроводов и металлоконструкций от коррозии, добавляют легирующие компоненты. Другими словами, антикоррозионная защита, например, газопровода, подземного резервуара в большинстве случаев выполняется при помощи различных сплавов.

Часто используются сплавы на основе магния. В них вводят алюминий (от 5 до 7 процентов) и цинк (от 2 до 5 процентов), а также незначительные количества (буквально сотые либо десятые доли) никеля, свинца, меди. Защита от коррозии магниевыми сплавами применяется тогда, когда конструкция из металла (элементы трубопроводов, газопровода и так далее) функционирует в средах с показателем рН не более 10,5 (обычный грунт, водоемы с пресной или слабосоленой водой).

Такое ограничение связано с тем, что магний сначала очень быстро растворяется, а затем на его поверхности формируются соединения, характеризуемые затрудненным растворением. Стоит сказать отдельно об опасности использования магниевых композиций для защиты от коррозии – они могут стать причиной растрескивания изделий из металла, а также их охрупчивания (водородного).

Для металлоконструкций, установленных в соленой воде, газопровода, проложенного по морскому дну, рекомендуется использование протекторов на базе цинка, которые содержат:

кадмий (от 0,025 до 0,15 %);
алюминий (не более 0,5 %);
медь, свинец, железо (от 0,001 до 0,005 % в сумме).

Протекторная защита трубопроводов в морской воде цинковыми составами будет гарантированно эффективной и длительной. Если же такие протекторы применять в грунте или пресных водоемах, они практически мгновенно покрываются гидроксидами и оксидами, что сводит на нет все антикоррозионные мероприятия.

А вот в соленой проточной воде, на прибрежном морском шельфе обычно эксплуатируются алюминиевые защитники от коррозии. В них содержится таллий, кадмий, кремний, индий (суммарно до 0,02 %), магний (не более 5 %) и цинк (не более 8 %). Данный состав не дает возможности появляться на алюминии окислам. Протекторная защита из алюминиевых составов используется в тех же условиях, что и из магниевых.

Цинковые протекторы обычно применяются для антикоррозионной защиты тех металлоконструкций, для которых должна быть обеспечена максимальная пожарная и взрывобезопасность (в частности, разнообразных трубопроводов для транспортировки потенциально горючих материалов, например, газопровода). Также цинковые защитные композиции не создают при анодном растворении загрязняющих соединений. За счет этого им практически нет замены, когда речь идет о защите от коррозии трубопроводов, по которым перемещают нефть, а также нефтеналивных и грузовых судов и танкеров.

3 Совместное применение лакокрасочных составов и протекторов

Нередко защита нефте- либо газопровода, той или иной конструкции из металла от коррозионных проявлений выполняется комбинацией протекторной и лакокрасочной защиты. Последняя по своей сути причисляется к пассивному методу предохранения от коррозии. По-настоящему высоких результатов она не обеспечивает, но зато позволяет в сочетании с протектором:

нивелировать возможные изъяны покрытия трубопроводов и металлических конструкций, которые возникают по естественным причинам (отслаивание металла, его вспучивание, набухание, появление трещин и так далее), а также при их использовании (нет такого газопровода или танкера, покрытие которого в процессе эксплуатации не претерпевает определенных изменений);
снизить (иногда весьма существенно) расход достаточно дорогостоящих протекторных материалов, повысив при этом их эксплуатационный срок;
обеспечить распределение по металлической поверхности трубопроводов защитного тока максимально однородно (равномерно).

Добавим, что лакокрасочные слои во многих случаях довольно-таки сложно нанести на некоторые участки уже функционирующего резервуара, газопровода или водного судна. Тогда лучше, конечно же, не усложнять процесс и применять исключительно протекторы.

Читайте также: