Введение. Основы противокоррозионной защиты

Лекция №1. Введение. Основы противокоррозионной защиты. Лектор:Абдукаримов Айбек Кенжебекович Уведомление о Правах: Этот документ и его переводы могут быть скопированы и предоставлены только в образовательных целях, и только в данном университете. Производные работы, которые комментируют или иным образом объясняют его, могут быть подготовлены, скопированы, опубликованы и распространены, полностью или частично, без каких-либо ограничений. Однако этот документ не может быть изменен каким-либо образом, за исключением необходимости улучшения. Введение  Для изготовления трубопроводов, резервуаров, насосов, арматуры, железнодорожных цистерн и другого оборудования, применяемого в системе транспорта и хранения нефти и газа, наиболее широко применяются углеродистые и низколегированные стали. Срок службы и надежность работы этого оборудования во многом определяются степенью защиты его от постепенного самопроизвольного разрушения при взаимодействии с жидкими и газообразными веществами, окружающими металлические конструкции в воздухе, воде и под землей 2 Что такое коррозия ?  Самопроизвольное окисление металлов, уменьшающее долговечность изделий, называется коррозией (от поздне латинского, corrosio — разъедание). Среда, в которой металл подвергается коррозии, называется коррозионной, или агрессивной. При этом процессе образуются продукты коррозии: химические соединения, содержащие металл в окисленной форме. 3 Классификация процессов коррозии  По характеру взаимодействия металла со средой различают два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.  Химическая коррозия происходит по законам кинетики химических реакций металла с окружающей газообразной или жидкой средой. При этом продукты коррозии образуются непосредственно на всем участке поверхности металла, находящемся в контакте с агрессивной средой. С химическим механизмом протекают следующие виды коррозионных процессов: Коррозия в неэлектролитах — разрушение металла в жидких или газообразных агрессивных средах, обладающих малой электропроводностью (например, коррозия стали в бензине, бензоле, при контакте с серой при температуре свыше 200° С, коррозия внутренней поверхности трубопроводов и аппаратуры при перекачке высокосернистых сортов нефти). Газовая коррозия Коррозия в неэлектролитах Газовая коррозия — окисление металла кислородом или другим газом при высокой температуре и полном отсутствии жидкостной пленки на поверхности металлического изделия (например, коррозия лопаток газовых турбин на компрессорных станциях газопроводов, дымогарных труб котельных установок, выхлопных коллекторов двигателей внутреннего сгорания, образование окалины при нагреве и прокате металла); 4 Газовая коррозия Схема газовой коррозии: а — диффузия кислорода в металл; б – окислительные процессы в металле Источник: https://tehlib.com/storitel-ny-e-materialy/stal-ny-e-konstruktsii/korroziya-metallov/ 5 Жидкостная коррозия  Жидкостная коррозия — коррозия металлов в жидкой среде: в неэлектролите (бром, расплавленная сера, органический растворитель, жидкое топливо) и в электролите (кислотная, щелочная, солевая, морская, речная коррозия, коррозия в расплавленных солях и щелочах). В зависимости от условий взаимодействия среды с металлом различают жидкостную коррозию металла при полном, неполном и переменном погружении, коррозию по ватерлинии (вблизи границы между погруженной и не погруженной в коррозионную среду частью металла), коррозию в не перемешиваемой (спокойной) и перемешиваемой (движущейся) коррозионной среде; Источник: https://tehlib.com/storitel-ny-e-materialy/stal-ny-e-konstruktsii/korroziya-metallov/ 6 Классификация процессов коррозии  Электрохимическая коррозия — это окисление металлов в электропроводных средах, сопровождающееся образованием электрического тока. При этом взаимодействие металла с окружающей средой характеризуется анодным и катодным процессами, протекающими на различных участках поверхности металла. Продукты коррозии образуются только на анодных участках. С электрохимическим механизмом протекают следующие виды коррозионных процессов: Контактная коррозия Коррозия в электролитах Почвенная (подземная) коррозия Биокоррозия Атмосферная коррозия Электрокоррозия 7 Атмосферная коррозия  Атмосферная коррозия — коррозия металлов в атмосфере воздуха, а также любого влажного газа (например, ржавление стальных конструкций в цехе или на открытом воздухе);  Атмосферная коррозия: I — сухая атмосферная коррозия, II — влажная атмосферная коррозия, III — мокрая атмосферная коррозия, IV — коррозия при полном погружении.  Атмосферная коррозия является самым распространенным видом коррозии; около 80% металлоконструкций эксплуатируется в атмосферных условиях. Основным фактором, определяющим механизм и скорость атмосферной коррозии, является степень увлажнения поверхности металла. Источник: https://tehlib.com/storitel-ny-e-materialy/stal-ny-e-konstruktsii/korroziya-metallov/ 8 Атмосферная коррозия  По степени увлажнения различают три основных типа атмосферной коррозии:  Мокрая атмосферная коррозия – коррозия при наличии на поверхности металла видимой пленки воды (толщина пленки от 1мкм до 1 мм). Коррозия этого типа наблюдается при относительной влажности воздуха около 100%, когда имеет место капельная конденсация воды на поверхности металла, а также при непосредственном попадании воды на поверхность (дождь, гидроочистка поверхности и т. п.);  Влажная атмосферная коррозия – коррозия при наличии на поверхности металла тонкой невидимой пленки воды, которая образуется в результате капиллярной, адсорбционной или химической конденсации при относительной влажности воздуха ниже 100% (толщина пленки от 10 до 1000 нм);  Сухая атмосферная коррозия – коррозия при наличии на поверхности металла очень тонкой адсорбционной пленки воды (порядка нескольких молекулярных слоев общей толщиной от 1 до 10 нм), которую еще нельзя рассматривать, как сплошную и обладающую свойствами электролита. 9 Подземная коррозия  Подземная коррозия — коррозию металлов в почвах и грунтах (например, ржавление подземных стальных трубопроводов);  По своему механизму является электрохимической коррозией металлов. Подземная коррозия обусловлена тремя факторами: коррозионной агрессивностью почв и грунтов (почвенная коррозия), действием блуждающих токов и жизнедеятельностью микроорганизмов. Коррозионная агрессивность почв и грунтов определяется их структурой, гранулометрическим составом, удельным электрическим сопротивлением, влажностью, воздухопроницаемостью, рН и др. Обычно коррозионную агрессивность грунта по отношению к углеродистым сталям оценивают по удельному электрическому сопротивлению грунта, средней плотности катодного тока при смещении электродного потенциала на 100 мВ отрицательнее коррозионного потенциала стали; по отношению к алюминию коррозионная активность грунта оценивается содержанием в нем ионов хлора, железа, значением рН, по отношению к свинцу-содержанием нитрат-ионов, гумуса, значением рН. 10 Биокоррозия  Биокоррозия — коррозия металлов под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов (например, усиление коррозии стали в грунтах сульфат-редуцирующими бактериями);  Биокоррозия подземных сооружений обусловлена в основном жизнедеятельностью сульфатвосстанавливающих, серо окисляющих и железоокисляющих бактерий, наличие которых устанавливают бактериологическими исследованиями проб грунта. Сульфатвосстанавливающие бактерии присутствуют во всех грунтах, но с заметной скоростью биокоррозия протекает только тогда, когда воды (или грунты) содержат 105-106 жизнеспособных бактерий в 1 мл (или в 1 г). Примеры биокоррозии 11 Контактная коррозия  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 деталями). Примеры контактной коррозии 12 Классификация процессов коррозии  Для основной массы металлов, эксплуатирующихся в атмосфере, морской и речной воде, а также в почве, характерна электрохимическая коррозия.  Помимо перечисленных видов коррозии возможны также коррозия под напряжением — при одновременном воздействии коррозионной среды и механических напряжений в металле; щелевая коррозия — ускорение коррозионного разрушения металла электролитом в узких зазорах и щелях (в резьбовых и фланцевых соединениях); коррозионная эрозия — при одновременном воздействии коррозионной среды и трения; коррозионная кавитация — при одновременном коррозионном и ударном воздействии окружающей среды (разрушение лопаток гребных винтов на судах, коррозия лопаток рабочих колес центробежных насосов). 13 Коррозия под напряжением  Коррозия под напряжением — коррозия металлов при одновременном воздействии коррозионной среды и механических напряжений. В зависимости от характера нагрузок может быть коррозия при постоянной нагрузке (например, коррозия металла паровых котлов) и коррозия при переменной нагрузке (например, коррозия осей и штоков насосов, рессор, стальных канатов); одновременное воздействие коррозионной среды и знакопеременных или циклических растягивающих нагрузок часто вызывает коррозионную усталость — понижение предела усталости металла; 14 Щелевая коррозия  Щелевая коррозия — усиление коррозии в щелях и зазорах между металлами (например, в резьбовых и фланцевых соединениях стальных конструкций, находящихся в воде), а также в местах неплотного контакта металла с неметаллическим коррозионноинертным материалом. Присуща конструкциям из нержавеющей стали в агрессивных жидких средах, в которых материалы вне узких щелей и зазоров устойчивы благодаря пассивному состоянию т.е. вследствие образования на их поверхности защитной пленки; 15 Коррозионная эрозия  Коррозия при трении (коррозионная эрозия) — разрушение металла, вызываемое одновременным воздействием коррозионной среды и трения (например, разрушение шейки вала при трении о подшипник омываемый морской водой); Коррозия при трении: «дорожка трения» 16 Коррозионная кавитация  Коррозионная кавитация — разрушение металла, вызванное одновременным коррозионным и ударным воздействием внешней среды (например, разрушение лопастей гребных винтов морских судов);  Кавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация). Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом ударную волну. Кавитация во многих случаях нежелательна. На устройствах, например, винтах и насосах, кавитация вызывает много шума, повреждает их составные части, вызывает вибрации и снижение эффективности. 17 Коррозионная кавитация  Для предотвращения кавитации подбирают устойчивый к данному виду эрозии материал (молибденовые стали); уменьшают шероховатость поверхности; снижают турбулентность потока, уменьшают количество поворотов, делают их более плавными; не допускают прямого удара эрозийной струи в стенку аппарата, применяя отражатели, рассекатели струй; очищают газ и жидкости от твердых примесей; не допускают работу гидравлических машин в режиме кавитации; ведут систематический контроль за износом материала. Коррозионная кавитация 18 Термодинамическая устойчивость металлов  Из всего многообразия встречающихся в природе видов энергии особо следует выделить химическую энергию, обусловленную движением электронов на электронных орбитах атомов и молекул вещества. Эта энергия при определенных условиях может высвобождаться, т. е. превращаться в другие виды энергии, что сопровождается образованием химических связей атомов или более прочных связей, если в превращении участвовали молекулы. С величиной химической энергии можно связать направление химических реакций. Следует отметить, что стабильными являются такие состояния веществ, при которых в данных условиях их энергия имеет наименьшее значение.  В термодинамике принято часть энергии, превращенной в обратимом процессе в работу, называть изменением свободной анергии. При этом, если система производит внешнюю работу, то изменение свободной анергии идет в сторону ее уменьшения. 19 Термодинамическая устойчивость металлов  Одним из основополагающих определений термодинамики, позволяющим заранее установить, в каком направлении в заданных условиях пойдет самопроизвольный процесс в системе, состоящей из данных веществ, является следующее: процессы протекают самопроизвольно в том направлении, в котором изменение свободной анергии идет в сторону ее уменьшения. Таким образом, самопроизвольно совершаются такие химические превращения, в результате которых образуются вещества с меньшей химической энергией или, иными словами, с меньшей свободной энергией.  Со значением свободной энергии, отнесенной к отдельному компоненту сложной материальной системы, связывают понятие химического потенциала (в большинстве случаев он определяется для 1 моля вещества). Химический потенциал зависит от свойств вещества и концентрации данного компонента в системе. Каждый процесс, ведущий к изменению состава (например, диффузия, химическая реакция), протекает в направлении уменьшения химического потенциала всех компонентов системы. Следовательно, если химический потенциал некоторых компонентов материальной системы в различных точках имеет различную величину, то этот компонент при отсутствии каких-либо препятствий перейдет от точки с большим химическим потенциалом к точкам с меньшим химическим потенциалом. В результате система приближается к равновесию и достигает его, когда химические потенциалы всех компонентов по всему объему станут одинаковыми. 20 Термодинамическая устойчивость металлов  В технике большинство процессов совершается не при постоянном объеме, а при постоянном давлении. Поэтому кроме свободной энергии при постоянном объеме целесообразно ввести такую функцию состояния, которая служила бы критерием равновесия в условиях постоянства давления и температуры. Такой термодинамической функцией является изобарно-изотермический потенциал О, который принято называть свободной энергией, или свободной энтальпией. В термодинамике доказывается, что величина G прн обратимых процессах не изменяется, а при необратимых может только убывать.  Следовательно, условием равновесия в системах при постоянных давлении и температуре является минимум изобарно-изотермического потенциала. 21 Термодинамическая устойчивость металлов  Термодинамическая стабильность химических соединений определяется знаком и величиной изменения изобарно- изотермического потенциала при их образовании из простых веществ. Пусть G1 относится к исходным веществам, а G2 — к продуктам реакции. Тогда изменение изобарно-изотермического потенциала ∆G = G2 — G1. Если G1 > G2 и — ∆G > 0, то соответствующее соединение стабильно. Из справочных данных следует, что только окислы Au2O3, AgO и Ag2O3 термодинамически нестабильны в стандартных условиях.  В природе, как правило, встречаются в чистом виде только благородные металлы (платина, золото, серебро и т. д.), а остальные — в виде соединений с неметаллами (минералы, руды). Причина этого — большая химическая активность (сродство) металлов по отношению к кислороду и другим неметаллическим элементам (сере, хлору, фосфору и т. д.). Свидетельством этого является то, что изобарно-изотермический потенциал у окислов, сульфидов, сульфатов, хлоридов металлов меньше, чем у элементов металла и неметалла, взятых в отдельности. Например, при образовании Fe2O3 из отдельных элементов свободная энергия (в ккал/моль) уменьшается на 177, Al2O3 – на 377, ZnO – на 76.  Этим объясняется и то, что извлечение металлов из руд требует затраты большого количества энергии (тепловой — в доменном процессе, электрической — при производстве алюминия). Коррозия, по существу, является естественным процессом, обратным искусственному металлургическому. В результате коррозии высвобождается и рассеивается использованная при выплавке металлов из руды и связанная в металле энергия. 22 Список использованных материалов   Противокоррозионная защита трубопроводов и резервуаров. Дизенко E.И. Москва, Недра. https://tehlib.com/storitel-ny-e-materialy/stal-ny-e-konstruktsii/korroziya-metallov/ 23