Электрохимическая коррозия: описание процесса, объекты разрушения, методы борьбы

Основные объекты коррозии

Неоднородные металлические участки хаотично расположены на поверхности изделия и зависят от технологии и качества их изготовления, поэтому коррозионные разрушения чаще носят локальный характер. Кроме этого, локальность корродирования зависит от неоднородности:

защитных оксидных пленок;
электролита;
влияния внешних факторов (нагрева, облучения);
внутренних напряжений, вызывающих неравномерную деформацию.

Сварные и заклепочные соединения являются яркими представителями контакта инородных металлов, подвергающихся активной электрохимической коррозии. Сварка и заклепка — самые распространенные технологии в конструкции неразъемных соединений во всех ведущих отраслях промышленности и крупных трубопроводных системах:

машиностроение;
судостроение;
нефтепроводы;
газопроводы;
водопроводы.

Наиболее значительные разрушения сварных швов и заклепочных соединений возникают в морской воде, присутствие соли в которой, значительно ускоряет процесс коррозии.

Катастрофическая ситуация сложилась в 1967 году с рудовозом «Анатина», когда морская вода от высоких штормовых волн попала в трюмы корабля. Медные конструкции во внутренней отделке трюмов и стальной корпус способствовали созданию коррозионного элемента в электролите из морской воды. Скоротечная электрохимическая коррозия вызвала размягчение корпуса судна и создание аварийной ситуации, вплоть до эвакуации команды.

Положительный эффект от электрохимической коррозии встречается очень редко. Например, при монтаже новых труб в системах горячего отопления жилых домов. Резьбовые соединения муфт начинают течь при первичном пуске до тех пор, пока продукты коррозии, состоящие из гидратированного железа, не заполнят микропоры в резьбе.

Вне зависимости от вида коррозии, химической или электрохимической, ее последствия одинаковые — разрушение изделий огромной стоимости. Причем помимо прямых потерь от пришедших в негодность материалов, существуют косвенные потери, связанные с утечками продуктов, простоями при замене негодных материалов и деталей, нарушении регламентов технологических процессов.

Способы защиты металлов от коррозии

Предотвращение начала или активного протекания коррозии – более удачный способ избавиться от проблем с разрушением металлов, чем постоянная замена или восстановление деталей. Поэтому все производители металлических изделий уделяют максимум внимания разработке и совершенствованию способов защиты своей продукции от ржавления.

На данный момент есть четыре основных направления:

изменение свойств металла введением добавок. По этому принципу изготавливаются нержавеющие стали – добавки хрома (12%) повышают стойкость сплава к коррозии до почти полной невосприимчивости в нормальных бытовых условиях. Изменения температуры и состава окружающей среды снижают стойкость нержавеющей стали к коррозии;
использование защитных покрытий. Применяются различные (в чистом виде и комбинациях) лако-красочные, эмалевые, полимерные составы. Также – и с большим успехом – используется поверхностное нанесение менее активных химически металлов (оцинковывание, хромирование, никелирование, золочение);
применение небольших элементов (пластинок, заклепок) из более активных металлов для сохранения основного объема и массы изделия – коррозии в этом случае подвергаются именно добавленные элементы. Отдельно можно выделить создание слабого тока в самом изделии для нейтрализации тока электрохимической коррозии. Применение этого способа ограничено определенными условиями эксплуатации;
введение ингибиторов – веществ, угнетающих процесс коррозии – в окружающую изделие среду.

Последний метод требует отдельного рассмотрения.

1 Суть антикоррозионной электрохимической защиты

Любая конструкция из металла с течением времени начинает разрушаться в результате коррозионного воздействия. По этой причине металлические поверхности перед эксплуатацией в обязательном порядке покрывают специальными составами, состоящими из различных неорганических и органических элементов. Такие материалы в течение определенного периода надежно предохраняют металл от окисления (ржавления). Но через некоторое время их необходимо обновлять (наносить новые составы).

Тогда, когда защитный слой не удается возобновить, защита от коррозии трубопроводов, кузова автомобиля и других конструкций выполняется при помощи электрохимической методики. Она незаменима для предохранения от ржавления резервуаров и емкостей, работающих под землей, днищ морских кораблей, разнообразных подземных коммуникаций, когда потенциал коррозии (ее называют свободной) находится в зоне перепассивации основного металла изделия или активного его растворения.

Суть электрохимической защиты заключается в том, что к конструкции из металла подключают извне постоянный электроток, который формирует на поверхности металлоконструкции поляризацию катодного типа электродов микрогальванопар. В итоге на металлической поверхности наблюдается преобразование анодных областей в катодные. После такого превращения негативное влияние среды воспринимает анод, а не сам материал, из которого изготовлено защищаемое изделие.

Активные.
Средней активности.
Малоактивные.
Благородные.

Активные имеют высокую нестабильность. Для них характерно возникновение коррозии даже в нейтральной водной среде, которая лишена растворенного кислорода или окислителей. Ярким представителем такого металла является кадмий.

Металлы средней активности располагаются на таблице химических элементов между кадмием и водородом. Они неподвержены началу разрушения в нейтральной жидкостной среде лишенной кислорода, но начинают интенсивно поддаваться коррозии при влиянии кислот.

Малоактивные металлы располагаются в таблице Менделеева между водородом и родием. Они не подвергаются влиянию коррозии при контакте с нейтральными жидкостями и кислой средой. Для активизации процесса их разрушения необходимо наличие кислорода или прочих окислителей.

Благородные металлы отличаются стабильностью, благодаря чему подвержены коррозии только при воздействии кислой среды при условии контакта с сильными окислителями. К перечню благородных металлов относится платина, золото, палладий и иридий.

Электрохимическая коррозия металлов является самой распространенной, поскольку естественные условия, в которых хранятся и эксплуатируются металлические изделия, зачастую подвержены влиянию влажной среды.

Различают следующие виды электрохимической коррозии:

Электролитная – наблюдается при контакте с растворами солей, кислотами, оснований, в том числе и обычной водой.
Атмосферная – наблюдается в условиях атмосферы, где содержатся испарения воды. Данный вид является самым распространенным, именно он влияет на практически все металлические изделия.
Почвенная – наблюдается в результате воздействия влажной почвы, в составе которой могут содержаться различные химические элементы ускоряющие процесс разрушения металла. При воздействии с кислыми почвами процесс коррозии наблюдается наиболее агрессивно. Грунты с песком воздействуют медленней всего.
Аэрационная – является более редкой и наблюдается в тех случаях, если к разным поверхностям металла оказывается неравномерный доступ воздуха. В результате неоднородного воздействия линии переходов между такими участками начинают разрушаться.
Морская коррозия металлов подразумевает разрушение от влияния морской воды. Она выделяется в отдельную группу, поскольку данная жидкость отличается высоким содержанием солей и растворенных органических веществ. Это делает ее более агрессивной.
Биокоррозия – данный вид разрушения возникает при условии воздействия на поверхность металла бактериями, которые в результате жизнедеятельности вырабатывают углекислый газ и прочие вещества.
Электрокоррозия – такой вид разрушения металла наблюдается при воздействии на него блуждающих токов, что характерно для подземных сооружений, в частности рельсов метрополитена, стержней заземления, трамвайных линий и т.д.

Методы защиты

Электрохимическая защита металлов от коррозии достигается следующими способами:

Созданием антикоррозионных сплавов (легированием).
Увеличением чистоты индивидуального металла.
Нанесением на поверхность различных защитных покрытий.

Эти покрытия в свою очередь бывают:

Неметаллическими (краски, лаки, смазочные материалы, эмали).
Металлическими (анодные и катодные покрытия).
Образованными специальной обработкой поверхностей (пассивация железа в концентрированных серной или азотной кислотах; железа, никеля, кобальта, магния в растворах щелочей; образование оксидной пленки, например, на алюминии).

Химическая

Химическая коррозия относится к постепенному разрушению поверхности металла из-за реакции поверхности с веществами во внешней среде. Она происходит в результате окисления металла кислотами с образованием оксидов.

Высокотемпературный вариант заключается в воздействии на металл сухих газов. Все металлы в сухом воздухе покрыты очень тонким (2…10 мкм) слоем оксидов. Этот слой образуется при очень высоких температурах, когда реакция с кислородом воздуха идёт без каких-либо ограничений. При комнатной температуре реакция останавливается, поскольку оксидная плёнка становится слишком тонкой. В случае, например, с алюминием, такая плёнка, состоящая из оксида Al₂O₃,эффективно защищает поверхность алюминиевой посуды, поскольку коррозионная стойкость чистого алюминия невысока.

Химическая коррозия начинается в месте, где металл находится под давлением и изолирован от циркуляции воздуха. Это побуждает ионы металлов растворяться во влажной среде, что в конечном итоге ускоряет реакцию между ними и водой. В результате реакции образуются водные оксиды (известные при взаимодействии с железом как ржавчина) и свободные ионы.

Технический прогресс в развитии методов борьбы с коррозией

Так как коррозионные потери металла составляют астрономическую сумму, технический прогресс продолжает предлагать новые методы борьбы с ней, по мере развития научных исследований и совершенствования аппаратного обеспечения. К ним относятся:

газотермическое напыление, образующее сверхтонкие защитные покрытия;
термодиффузионные покрытия, создающие прочную поверхностную защиту;
кадмирование, обеспечивающее защиту стали в морской воде.

Рост промышленного производства происходит с постоянным увеличением выпуска металлических изделий. Электрохимическая коррозия, вне зависимости от исторической эпохи, представляет постоянную угрозу огромному объему конструкций и ответственных сооружений. Поэтому создание новых методов и средств борьбы — одна из задач исследований технического прогресса.

Почему появляется контактная коррозия

Причина распространения коррозии – возникновение компромиссного потенциала. Он отличается по своим показателям от соприкасающихся металлов.

В итоге появляется пересечение анодной и катодной кривой.

В качестве анода выступает металл, у которого электроотрицательный потенциал выше, чем у другого. Электроположительный металл становится катодом.

Стоит также учесть и скорость растворения анода. На нее влияет разность катодных и анодных потенциалов.

Значение также имеет уровень компромиссного потенциала. На него влияет тип металлов, которые вступают в контакт.

Есть и 4 внешних фактора, которые оказывают на него воздействие. К ним относятся такие, как:

Температура самого металла и среды, в которой он находится.
Уровень аэрации, доступ кислорода.
Особенности окружающей среды, степень загрязненности и типы рассеянных в воздухе частиц.
Уровень влажности, наличие прямого контакта с водой, постоянного намокания.

Процесс контактной коррозии развивается в различных средах. Это — открытый воздух, вода, почва.

Если при распространении коррозии, на материал неравномерно воздействует кислород, велика вероятность появления дифференциальной аэрации.

Это затрудняет катодную реакцию и влияет на саму интенсивность протекания процесса.

3 Борьба с коррозией при помощи органических неметаллических покрытий

Самым распространенным и сравнительно несложным вариантом защиты металлов от ржавления, известным уже очень давно, признается использование лакокрасочных составов. Антикоррозионная обработка материалов такими соединениями характеризуется не только простотой и дешевизной, но еще и следующими положительными свойствами:

возможностью нанесения покрытий разных цветовых оттенков — что и элегантный облик конструкциям придает, и надежно защищает их от ржавчины;
элементарностью восстановления защитного слоя в случае его повреждения.

К сожалению, лакокрасочные составы имеют совсем небольшой коэффициент термической стойкости, малую стойкость в воде и относительно низкую механическую прочность. По этой причине в соответствии с существующими СНиП их рекомендовано применять в тех случаях, когда на изделия действует коррозия со скоростью не более 0,05 миллиметров в год, а запланированный срок их эксплуатации не превышает десяти лет.

К составляющим современных лакокрасочных составов относят такие элементы:

краски: суспензии пигментов с минеральной структурой;
лаки: растворы (коллоидные) смол и масел в растворителях органического происхождения (защита от коррозии при их применении достигается после полимеризации смолы либо масла или их испарения под влиянием дополнительного катализатора, а также при нагреве);
искусственные и природные соединения, называемые пленкообразователями (например, олифа – самый, пожалуй, популярный неметаллический «защитник» чугуна и стали);
эмали: лаковые растворы с комплексом подобранных пигментов в измельченном виде;
смягчители и разнообразные пластификаторы: адипиновая кислота в виде эфиров, дибутилфтолат, касторовое масло, трикрезилфосфат, каучук, другие элементы, которые увеличивают эластичность защитного слоя;
этилацетат, толуол, бензин, спирт, ксилол, ацетон и другие (данные компоненты нужны для того, чтобы лакокрасочные составы без проблем наносились на обрабатываемую поверхность);
инертные наполнители: мельчайшие частицы асбеста, тальк, мел, каолин (они делают антикоррозионные возможности пленок более высокими, а также уменьшают траты других составляющих лакокрасочных покрытий);
пигменты и краски;
катализаторы (на языке профессионалов – сиккативы): необходимые для быстрого высыхания защитных составов кобальтовые и магниевые соли жирных органических кислот.

Лакокрасочные соединения выбирают с учетом того, в каких условиях эксплуатируется обрабатываемое изделие. Составы на базе эпоксидных элементов рекомендованы для использования в атмосферах, где постоянно присутствуют испарения хлороформа, двухвалентного хлора, а также для обработки конструкций, находящихся в различных кислотах (азотная, фосфорная, соляная и т. п.).

К кислотам также устойчивы и лакокрасочные составы с полихровинилом. Они, кроме того, применяются для предохранения металла от воздействия масел и щелочей. А вот для защиты конструкций от газов чаще применяются составы на базе полимеров (эпоксидных, фторорганических и иных).

Очень важно при подборе защитного слоя учитывать требования российских СНиП для разных отраслей промышленности. В таких саннормах четко указывается, какие составы и методы защиты от коррозии можно использовать, а от каких лучше отказаться. Например, в СНиП 3.04.03-85 изложены рекомендации по защите различных строительных сооружений:

Например, в СНиП 3.04.03-85 изложены рекомендации по защите различных строительных сооружений:

Что такое коррозия

Процесс разрушения верхнего слоя металлического материала под влиянием внешних воздействий называется коррозией в широком смысле.

Термин коррозия в данном случае – только характеристика того, что металлическая поверхность вступает в химическую реакцию и теряет под её влиянием свои изначальные свойства.

4 основных признака, по которым можно определить, что этот процесс существует:

процесс, развивающийся на поверхности, и со временем проникающий внутрь металлического изделия;
реакция возникает самопроизвольно от того, что нарушается устойчивость термодинамического баланса между окружающей средой и системой атомов в сплаве или монолите;
химия воспринимает этот процесс не просто, как реакцию разрушения, но как реакцию восстановления и окисления: при вступлении в реакцию одни атомы замещают другие;
свойства и особенности метала при такой реакции претерпевают значительные изменения, или утрачиваются там, где она происходит.

Это интересно: Температура плавления цинка, свойства и применение металла — внимательный взгляд на вопрос

Возможно ли устранить следы появления электрохимической коррозии?

К сожалению, не существует стопроцентного метода защиты от коррозии, по крайней мере, экономически обоснованного. Любое изделие рано или поздно подвергнется старению, и избавиться от него будет сложно. Если изделие начало покрываться ржавчиной, в первую очередь следует определить причину.

В быту чаще всего встречается атмосферная коррозия, а способ ее устранения – нанесение неметаллических компонентов, или проще говоря, окрашивание. Однако и тут есть свои нюансы, так как если не устранить следы коррозии, она продолжит распространяться и под покрытием, сведя все старания к нулю.

Для начала необходимо устранить источник заражения. В большинстве это поверхностные очаги, которые удаляются механическим путем, то есть зачисткой. Сложности возникают с очагами глубокого проникновения, когда нет возможности снять такой слой, чтобы устранить дефект

Также особое внимание следует уделить устранению оксидной пленки с поверхности. Она является тем самым электролитом

А простой способ – это обезжиривание. Применяются любые средства с октановым числом: бензин, растворитель и так далее. Не стоит пренебрегать этим процессом, так как если на окрашенной поверхности останется пленка, разрушение продолжится даже под слоем эмали или полимера.

А еще лучше — обратиться к инженеру-проектировщику УК. Он подскажет корень проблемы и поможет с ее решением.

Контроль качества выполненных работ

Применяемые методы защиты от коррозии металлов подвергаются контролю качества. Выполняется с целью проверки ранее выполненного производственного контроля. Предупреждение дефектов. Разработка мер по устранению обнаруженных дефектов. Контроль качества антикоррозионных работ начинается с проверки документации. Должны быть предоставлена документация на объект антикоррозионной защиты, на применяемые материалы, сертификаты о качестве продукции. По окончании проведения контроля качества работ составляется акт содержащий сведения о месте проведения работ, о состояния проведенных работ, о примененных материалах их марки и расходе. Сведения о организации исполнителе, и подписи лиц проводивших работы. Комиссия, проводящая контроль качества работ проверяет следующие параметры:

— вид антикоррозионного покрытия, не должно быть наличие мест не подвергнутых обработке.

— проверяется толщина слоя покрытия путем замера в различных местах, где предположительно возможна не качественная обработка.

— контролируется адгезия лакокрасочного материала с металлической поверхностью.

Электрохимическая коррозия металлов

Электрохимическая коррозия металлов – это процесс разрушения металлов в среде различных электролитов, который сопровождается возникновением внутри системы электрического тока.

При таком типе коррозии атом удаляется из кристаллической решетки результате двух сопряженных процессов:

Анодного – металл в виде ионов переходит в раствор.
Катодного – образовавшиеся при анодном процессе электроны, связываются деполяризатором (вещество — окислитель).

Сам процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией, а вещества способствующие отводу – деполяризаторами.

Наибольшее распространение имеет коррозия металлов с водородной и кислородной деполяризацией.

Водородная деполяризация

Водородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в кислой среде:

2H++2e— = H2 разряд водородных ионов

2H3O++2e— = H2 + 2H2O

Кислородная деполяризация

Кислородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в нейтральной среде:

O2 + 4H++4e— = H2O восстановление растворенного кислорода

O2 + 2H2O + 4e— = 4OH—

Все металлы, по их отношению к электрохимической коррозии, можно разбить на 4 группы, которые определяются величинами их стандартных электродных потенциалов:

Активные металлы (высокая термодинамическая нестабильность) – это все металлы, находящиеся в интервале щелочные металлы — кадмий (Е0 = -0,4 В). Их коррозия возможна даже в нейтральных водных средах, в которых отсутствуют кислород или другие окислители.
Металлы средней активности (термодинамическая нестабильность) – располагаются между кадмием и водородом (Е0 = 0,0 В). В нейтральных средах, в отсутствии кислорода, не корродируют, но подвергаются коррозии в кислых средах.
Малоактивные металлы (промежуточная термодинамическая стабильность) – находятся между водородом и родием (Е0 = +0,8 В). Они устойчивы к коррозии в нейтральных и кислых средах, в которых отсутствует кислород или другие окислители.
Благородные металлы (высокая термодинамическая стабильность) – золото, платина, иридий, палладий. Могут подвергаться коррозии лишь в кислых средах при наличии в них сильных окислителей.

Виды электрохимической коррозии

Электрохимическая коррозия может протекать в различных средах. В зависимости от характера среды выделяют следующие виды электрохимической коррозии:

Коррозия в растворах электролитов — в растворах кислот, оснований, солей, в природной воде.
Атмосферная коррозия – в атмосферных условиях и в среде любого влажного газа. Это самый распространенный вид коррозии.

Например, при взаимодействии железа с компонентами окружающей среды, некоторые его участки служат анодом, где происходит окисление железа, а другие – катодом, где происходит восстановление кислорода:

А: Fe – 2e— = Fe2+

K: O2 + 4H+ + 4e— = 2H2O

Катодом является та поверхность, где больше приток кислорода.

Почвенная коррозия – в зависимости от состава почв, а также ее аэрации, коррозия может протекать более или менее интенсивно. Кислые почвы наиболее агрессивны, а песчаные – наименее.
Аэрационная коррозия — возникает при неравномерном доступе воздуха к различным частям материала.
Морская коррозия – протекает в морской воде, в связи с наличием в ней растворенных солей, газов и органических веществ.
Биокоррозия – возникает в результате жизнедеятельности бактерий и других организмов, вырабатывающих такие газы как CO2, H2S и др., способствующие коррозии металла.
Электрокоррозия – происходит под действием блуждающих токов на подземных сооружениях, в результате работ электрических железных дорог, трамвайных линий и других агрегатов.

Почему изделия из меди необходимо регулярно чистить

Медные турки, ковши, самовары отличаются высокой теплопроводностью, потому нагрев в них протекает равномерно, а продукты готовятся быстрее. Это обуславливает высокую популярность изделий в быту. Потребность в чистке медных предметов обусловлена утратой ими внешней привлекательности со временем. Особенно быстро тускнеют и теряют естественный цвет изделия, находящиеся на воздухе или часто нагревающиеся.

Окисная пленка – патина – популярна лишь там, где требуется придание вещам винтажного облика, стилизация под старину. В противном случае она портит вид посуды, утвари, украшений и статуэток. Чтобы устранить оксидный налет, элементы потемнения и вернуть блеск, придется периодически чистить предметы. Также очищение требуется для исключения попадания в еду вредных соединений, которые могут присутствовать в черном или зеленом слое.

Как предотвратить электрохимическую коррозию