Коррозия с кислородной деполяризацией

Растворенный в коррозионной среде кислород является основным окислителем во всех наиболее распространенных на практике видах коррозии (атмосферной, подводной, грунтовой). Именно с коррозией с кислородной деполяризацией в практике приходится сталкиваться наиболее часто.

Катодный процесс при коррозии с кислородной деполяризацией опи­сывается следующими реакциями:

O₂ + 4Н⁺ + 4е → 2H₂O кислая среда,

О₂ + 2H₂O + 4е → 40Н^– нейтральная и щелочная среда.

Равновесный потенциал этих реакций описывается уравнением

^. (4.11)

Таким образом, равновесный потенциал кислородного электрода всегда на 1,23 В больше равновесного потенциала водородного электрода. В связи с этим термодинамическое условие коррозии с кислородной деполяризацией

выполняется для всех металлов, за исключением золота.

Реакция восстановления кислорода включает в себя следующие стадии:

- растворение кислорода в коррозионной среде;

- диффузия растворенного кислорода к поверхности корродирующего металла;

- разряд;

- отвод образовавшихся продуктов.

Так как растворимость кислорода в электролитах невелика, то очень часто скорость коррозии определяется диффузией кислорода к корродирующему металлу. Стадия разряда также может быть замедлена, но только в достаточно редких случаях: при интенсивно перемешиваемых коррозионных средах или в тонких пленках электролита. Отвод продуктов не может быть замедленным, так как ионы ОН^– обладают аномальной подвижностью.

При замедленности стадии диффузии скорость ее, а следовательно, и скорость коррозионного процесса определяются, исходя из закона Фика:

, (4.12)

где С_О – концентрация кислорода в коррозионной среде;

С_S – концентрация кислорода на поверхности корродирующего металла;

D – коэффициент диффузии кислорода;

d – толщина диффузионного слоя.

При С_S = 0 наблюдается максимальный коррозионный ток, определяемый предельным током диффузии кислорода:

i_кор ^mаx = . (4.13)

Толщина диффузионного слоя определяется уравнением

δ=31^1/2 D^1/3 v^–1/2 υ^1/6 , (4.14)

где υ – вязкость коррозионной среды,

v – скорость перемешивания коррозионной среды.

Таким образом, скорость коррозии с кислородной деполяризацией зависит прежде всего от концентрации растворенного кислорода в коррозионной среде, которая, в свою очередь, определяется давлением, температурой и концентрацией ионов в коррозионной среде. Кроме того, скорость коррозии существенно зависит от интенсивности движения коррозионной среды.

Коррозионная диаграмма, описывающая коррозию при замедленной стадии растворенного кислорода, представлена на рис.4.2.

Рис.4.2. Коррозионная диаграмма, описывающая коррозию с кислородной деполяризацией при замедленной диффузии растворенного кислорода

При коррозии в реальных условиях диффузия кислорода к отдельным участкам поверхности корродирующего металла может быть неодинаковой (неравномерная аэрация). В связи с этим коррозия с кислородной депо­ляризацией часто происходит локально, возникают так называемые аэрационные пары, при работе которых металл разрушается в местах, где диффузия затруднена, а катодный процесс коррозии осуществляется на участках с хорошей аэрацией.

Работой аэрационной пары объясняется, например, щелевая корро­зия (рис. 4.3) и неравномерная коррозия подземных трубопроводов на различных участках.

Рис. 4.3. Возникновение аэрационной пары при наличии щелей и

трещин в корродирующем металле

Диффузия кислорода к острию щели затруднена, т.к. путь движения молекул кислорода к острию трещины длиннее, чем к ее основанию. Поэтому на ее вер­шине локализуется анодный процесс, катодный процесс коррозии будет протекать на поверхности металла вблизи трещины и на стенках трещи­ны. Таким образом, при наличии щели коррозионное поражение интен­сивно распространяется вглубь металла (щелевая коррозия).

Ход выполнения работы

В реальных условиях, если возможна коррозия с водородной деполя­ризацией, то ей обязательно сопутствует в той или иной мере и кор­розия с кислородной деполяризацией. В настоящей лабораторной работе коррозию с водородной и кислородной изучают, используя одновременно весовой и объемный методы исследо­вания коррозии.

Весовой метод позволяет рассчитать по разнице между массой металла до коррозии и пос­ле нее массовый показатель коррозии под воздейс­твием обоих окислителей (ионов водорода и растворенного кислорода):

(г/см²∙час), (4.15)

где m₁ – масса металла до коррозии, г;

m₂ – масса металла после коррозии, г (определяется после удаления продуктов коррозии);

S – площадь поверхности корродирующего металла, см²;

τ – время коррозии, ч.

Рис. 4.4. Установка для определения скорости коррозии с водородной

деполяризацией объемным методом (водородный коррозиметр)

1-измерительная бюретка; 2-сосуд с коррозионной средой;

3- исследуемый металл; 4- резиновая подставка; 5- кран

Объемный метод исследования коррозии с помощью водородного кор–розиметра (рис. 4.4) позволяет определить количество выделившегося водорода, а следовательно, и количество металла, прокорродировавшего за счет коррозии с водородной деполяризацией, и массовый показатель коррозии .

Определение осуществляется в следующей пос­ледовательности:

– фиксируется количество водорода , выделившееся за определен­ное время τ при коррозии металла с площадью поверхности S;

– объем выделившегося водорода приводится к нормальным ус­ловиям:

(см³), (4.16)

где – измеренный объем водорода, см³;

Р – давление, мм (определяется по барометру);

Т – температура опыта в градусах Кельвина.

Исходя из условия стационарности коррозии, количество металла, прокорродировавшего по коррозии с водородной деполяризацией, про­порционально количеству выделившегося водорода и может быть опре­делено по формуле

(г) , (4.17)

где А – атомный вес металла;

z – заряд металла;

22400 мл – объем занимаемый 1 г/моль H₂ при нормальных условиях.

Далее рассчитывается массовый показатель коррозии под действием ионов водорода:

. (4.18)

При известных и можно определить массовый показатель

коррозии с кислородной деполяризацией и долю коррозии (С) с водо­родной и кислородной деполяризацией:

, (4.19)

Лабораторная работа проводится в следующей последовательности.

1. Подготовить образцы к работе: измерить поверхность, зачистить, протереть спиртом, высушить, взвесить.

2. Подготовить установку к измерениям (рис. 4.4), для чего в сосуд 2 залить коррозионную среду, с помощью груши заполнить ею бюретку 1, закрыть кран 5.

3. Вставить образец в резиновую пробку.

4. С помощью щипцов подвести резиновую пробку с образцом металла под бюретку, зафиксировать время и начать измерение объема выде­лившегося водорода.

5. По окончании опыта достать образец, промыть его, описать внешний вид, наличие продуктов коррозии.

6. Снять продукты коррозии ластиком, если они есть, промыть образец, проте­реть спиртом, высушить, взвесить.

7. Экспериментальные данные записать в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Таблица экспериментальных данных

Материал обр-ца	Корро­зионная среда	Масса образцов, г	∆ m, г	Объем выделившегося Н2, мл
до опыта	после опыта	10 мин	20 мин	30 мин	40 мин.	50 мин	1 час

8. Провести необходимые расчеты по определению показателей коррозии , , и доли коррозии с кислородной и водо­родной деполяризациями.

9. Рассчитать глубинный показатель общей коррозии (П мм/год):

, где g – плотность металла.

10. По величине глубинного показателя с помощью шкалы коррозионной стойкости (см. табл.1 приложения) определить группу и балл стойкости исследуемого металла.

11. Построить полученные зависимости V = f(t) и по их виду сделать выводы об изменении скорости коррозии с водородной деполяризацией во времени.