Классификация коррозионных процессов

Ю.А. Багдасарова

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

КОРРОЗИИ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ КУРС

Самара

Приводится общая характеристика и классификация коррозионных процессов. Рассматриваются физические и химические основы коррозионных процессов. Описываются виды коррозии и дается характеристика коррозионной агрессивности сред применительно к транспорту и хранению нефти и газа. Освещаются вопросы защиты от коррозии.

При подготовке теоретического курса широко использовались материалы теоретических и практических исследований ведущих отечественных и зарубежных ученых, а также современная справочная литература и нормативно-технические акты.

ВВЕДЕНИЕ

Под коррозией понимают разрушение металлов (сплавов) в результате их химического взаимодействия со средой (по латыни corrosio – разъедание). Разрушение материалов (неметаллов) в результате физических причин (исстирания, износа) называется эрозией.

В ряде случаев химическое воздействие сопровождается физическим разрушением металлов, в этом случае оно называется коррозионной эрозией. Таким образом, понятие «коррозия» относится только к металлам и их сплавам. При этом объектом коррозии является металл, а коррозионной средой – среда, контактирующая с поверхностью металла.

Фундаментом при изучении процессов коррозии являются такие науки, как химия (электрохимия, биохимия) и металловедение.

Необходимость коррозионных исследований определяется тремя факторами:

экономическим, имеющим целью сокращение материальных потерь в результате коррозии конструкций и изделий из металла;

повышением надежности оборудования, которое может в результате коррозии прийти в быструю негодность, зачастую сопровождающуюся авариями и экологическим загрязнением окружающей среды;

сохранением фонда металла (борьбой с его потерями).

Различают прямые и косвенные коррозионные потери. К прямым потерям относят стоимость замены прокорродировавших конструкций и изделий или их частей, например трубопроводов, резервуаров, металлических покрытий, запорно-регулирующей арматуры, насосов, компрессоров и т.д. Сюда же следует отнести затраты на защитные покрытия, необходимость использования вместо дешевых углеродистых сталей дорогостоящих коррозионно-устойчивых (легированных) и т.д. К косвенным потерям следует отнести простои машин и оборудования, связанные с заменой прокорродировавших конструкций и изделий, а также недовыработку (недопоставку) производимой ими продукции (энергии, товаров и т.д.), как в результате простоев, так и в результате ухудшения технических характеристик машин и оборудования (снижение производительности).

В промышленно развитых странах (США, Великобритании, Германии, Японии, России) коррозионные потери достигают 3-4% от валового национального продукта.

В мировой индустриальной практике исключительно большое развитие получил трубопроводный транспорт газа, нефти, газоконденсата, а также продуктов их переработки – бензина, дизтоплива, масел, аммиака и др. Коррозионные нарушения работы систем трубопроводного транспорта связаны не только с экономическими потерями, но и с серьезными экологическими нарушениями (загрязнение атмосферы, водных акваторий, сельскохозяйствен-ных и лесных угодий) и человеческими жертвами.

Основы учения о коррозии в нашей стране были заложены Н.А. Изгары-шевым, В.А. Кистяковским, Г.В. Акимовым, в дальнейшем его развили Томашев Н.Д., Колотыркин Я.М., Скорчелетти В.В., Розенфельд И.Л. и др.

Из зарубежных ученых следует отметить таких, как Ф. Toдт, Г.Г. Улиг, Р.У. Рeви.

Практическим выходом исследовательских работ явилось создание методов активной защиты конструкций и оборудования (катодная и анодная защиты) и методов пассивной защиты (ингибиторы и защитные покрытия).

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Классификация коррозионных процессов

Металлическое состояние для большинства технических металлов в коррозионных средах термодинамически неустойчивое, чем объясняется переход их из металлического состояния в ионное. Степень термодинамической неустойчивости зависит как от свойств металла, так и от характера коррозионной среды и внешних условий.

Результатом коррозионного процесса является переход атома металла из металлической решетки в ионное состояние с образованием растворимых типа окиси, гидроокиси или более сложных комплексных соединений металла.

В зависимости от пути, по которому совершается этот переход, различают три основных возможных механизма коррозионного процесса: химический, электрохимический и биохимический.

Под химической коррозией подразумевают взаимодействие металлической поверхности с окружающей средой по механизму химических гетерогенных реакций, т.е. когда атом металла с находящимися в его сфере валентными электронами непосредственно взаимодействует с молекулой реагента, например кислорода, воды, кислоты. Таким образом, переход металла в ионное состояние (окисление металла) и восстановление окислительного компонента не являются независимыми сопряженными стадиями, разделенными во времени или в пространстве, а происходят одновременно (в одном акте). Электронный переход совершается непосредственно от атома к акцептору, и, следовательно, этот механизм не требует существования свободных электронов в металле и ионов в растворе, хотя их наличие не препятствует протеканию реакции по этому механизму.

Примером химической коррозии является взаимодействие металла с жидкими неэлектролитами или сухими газами (сернистый газ, сероводород, галлоиды, углекислота и др.). От газовой коррозии интенсивно разрушаются лопатки газовых турбин, верхние пояса резервуаров, элементы электронагревателей и теплообменников и т.д.

Электрохимическая коррозия – наиболее распространенный вид коррозии. Основное отличие электрохимического механизма от чисто химического заключается в том, что взаимодействие реагента с металлом разделяется на два самостоятельных, но сопряженных процесса.

Анодный процесс – непосредственный переход атомов металла в раствор в виде гидратированных ионов или через промежуточные неустойчивые комплексные соединения, или стабильные соединения типа окислов, гидроокислов, или за счет сольватирующих или комплексо-образующих ионов электролита. Во всех случаях валентные электроны атома металла непосредственно в анодном процессе не участвуют.

В другом, сопряженном, катодном процессе происходит ассими-ляция остающихся в металле избыточных электронов атомами, молекулами или ионами раствора, которые будут в результате этого восстанавливаться.

Наличие ионной проводимости раствора позволяет анодным и катодным процессам локализоваться на отдельных участках поверхности металла.

В действительности резкой границы между химическим и электро-химическим механизмами процесса коррозии может и не быть, и возможен постепенный переход химического механизма в электрохимический.

Локализация анодных и катодных процессов обусловливает электро-химическую гетерогенность, т.е. различие в электрохимических потенциалах или плотности гальванических токов на поверхности корродирующего металла. Электрохимическая гетерогенность может вызываться различием в составе или ориентации кристаллов, наличием границ зерен или инородных включений, дислокаций в решетке и т.д. В табл. 1.1 приведены основные типы электро-химической гетерогенности, соответствующие определенным типам коррозион-ных разрушений (см. приложение).

При субмикроэлектрохимической неоднородности и в отсутствие механических напряжений на поверхности металла наблюдаются быстрые или непрерывно флуктуирующие перемещения анодных и катодных участков, следствием чего будет равномерное разрушение поверхности, т.е. будет иметь место гомогенно-электрохимический характер разрушения.

Гомогенно-электрохимический механизм протекания коррозии характерен для особо чистых металлов. Для технических металлов коррозия развивается по гетерогенно-электрохимическому механизму.

Биохимическая коррозия металлов обусловлена воздействием на их поверхность микроорганизмов.

В почвах и природных поверхностных водах содержатся огромные, как по численности, так и по разнообразию популяции микроорганизмы: бактерии, грибки, водоросли, простейшие и т.д.

В настоящее время можно считать установленным, что из всех микроорга-низмов в коррозии наибольшую роль играют бактерии из-за высокой скорости размножения и подвижности в химических преобразованиях.

Для протекания процесса микробиологической коррозии бактерии, вызывающие ее, должны находиться во влажной среде, иметь необходимые источники энергии и углерода. Им нужен азот, минеральные соли, витамины и ряд других элементов. Необходимо наличие вполне определенных для каждого вида бактерий внешних условий: температуры, давления, освещенности, концентрации водородных ионов, концентрации кислорода. Только в этих условиях бактерии могут расти и размножаться.

Поскольку жизнь микробов возможна только во влажных условиях и водных средах, то механизм микробиологической коррозии можно считать в основном электрохимическим.

Микроорганизмы могут вызывать коррозию путем непосредственного влияния на кинетику электродных реакций, продуцирования веществ, вызывающих коррозию, создания на поверхности металла условий, которые обусловливают появление концентрационных электрохимических элементов. Данные факторы могут действовать совокупно. В табл. 1.2 приведены виды и признаки микроорганизмов, вызывающих коррозию стальных сооружений.

Таблица 1.1