Коррозия: причины, последствия и методы защиты

Что такое коррозия?

Коррозия — естественный процесс, когда рафинированный металл естественным образом превращается в более стабильную форму: оксид, гидроксид или сульфид, что ведет к ухудшению материала. Это постепенное разрушение материалов (обычно металлов) химическими и/или электрохимическими реакциями со средой.

Способность электрохимических процессов расщеплять соединения на элементы или создавать новые может быть разрушительной, так и продуктивной. Коррозия — все слишком частый результат электрохимических реакций материалов с веществами среды.

Коррозия — опасная и крайне дорогая проблема. Из-за неё здания и мосты могут рухнуть, нефтепроводы лопаются, химические заводы текут, ванные затапливаются. Корродированные электрические контакты вызывают пожары, медицинские импланты — заражение крови, загрязнение воздуха разрушает произведения искусства. Коррозия угрожает безопасному хранению радиоактивных отходов в контейнерах на десятки тысяч лет.

Наиболее частые виды коррозии — электрохимические реакции. Общая коррозия — когда большинство или все атомы на поверхности металла окисляются, повреждая всю поверхность. Большинство металлов легко окисляются: склонны терять электроны кислороду (и др. веществам) в воздухе или воде. При восстановлении кислорода (приобретении электронов) образуется оксид с металлом.

Когда восстановление и окисление происходят на разных металлах в контакте — гальваническая коррозия. При электролитической коррозии (часто в электронике) влага попадает между два электрических контакта с приложенным напряжением. Возникает непреднамеренная электролитическая ячейка.

Возьмем металлическую конструкцию — Статую Свободы. Выглядит крепкой и постоянной. Но как почти все металлические объекты, может стать нестабильной, реагируя с веществами среды и деградируя.

Химия коррозии

Химия коррозии сложна; считается электрохимическим явлением. При коррозии в точке на поверхности железного предмета происходит окисление — эта точка ведет себя как анод.

Электроны, освобожденные в этом анодном участке, движутся по металлу к другому участку и восстанавливают кислород там в присутствии H⁺ (полагают, доступен из H₂CO₃, образованного растворением CO₂ из воздуха в воде во влажном воздухе. Водород-ионы в воде могут быть доступны также из растворения других кислотных оксидов атмосферы). Этот участок ведет себя как катод.

Причины коррозии

Металл корродирует при реакции с другим веществом: кислород, водород, электрический ток, грязь, бактерии. Коррозия также возможна при чрезмерном напряжении в стали, вызывающем трещины.

Основные и популярные причины:

• Избыточная влажность или конденсация водяного пара на металле — первопричины.
• Коррозионно-активные газы: хлор, оксиды водорода, аммиак, оксиды серы и др. — вызывают коррозию деталей электроники. Также воздействие водорода и кислорода.
• Коррозия стали при чрезмерном напряжении — трещины в материале.
• Длительное воздействие электрических токов — электрохимическая коррозия.
• Грязь и бактерии — причина коррозии металлов.

Коррозия железа

Коррозия железа — разрушение металлического материала с железом (Fe) из-за химических реакций с кислородом (O₂) и водой в среде, образуя красный оксид железа — ржавчину. Ржавчина также поражает стальные сплавы.

Коррозия железа также возможна при реакции с хлоридом в безкислородной среде, а зеленая ржавчина — другой тип коррозии, образуется прямо из металлического железа или гидроксида железа.

Коррозия железа обычно характеризуется образованием ржавчины электрохимическим процессом при наличии воды, кислорода и электролитического раствора соли. Устранение одного или всех этих реагентов снижает скорость коррозии.

При реакции железа с водой и кислородом образуется гидроксид железа(II). Он дальше реагирует с кислородом и водой, образуя гидратированный оксид железа(III) — известный как ржавчина.

Виды коррозии

Много различных типов коррозии, видимых невооруженным глазом:

• Равномерная коррозия
• Локализованная коррозия
• Гальваническая коррозия
• Коррозия, вызванная средой (Environmental Cracking)
• Поток-ассистированная и интергрануллярная коррозия
• Фреттинг-коррозия (контактная коррозия)
• Высокотемпературная коррозия
• Почвенная коррозия

Это самые распространенные типы, рассмотрим механизм каждого.

1. РАВНОМЕРНАЯ КОРРОЗИЯ

Самый распространенный вариант. Происходит естественно, когда углеродистая сталь деградирует химической или электрохимической реакцией со средой, ухудшая всю поверхность «равномерно». Самый массовый тип, но предсказуемый и управляемый соответствующими превентивными мерами.

2. ЛОКАЛИЗОВАННАЯ КОРРОЗИЯ

Много вариаций: точечная, щелевая, нитевидная коррозия.

Точечная коррозия (питтинг)

Точечная коррозия (питтинг) — локализованная форма на поверхности металла. Проявляется как мелкие полости или отверстия, пока остальная поверхность нетронута. Высокопроникающая, одна из самых опасных — трудно предсказать, склонна к внезапным катастрофическим отказам.

Обычно возникает в областях с несоответствиями в пассивной защитной пленке: повреждение пленки, плохое покрытие, посторонние отложения. Области с пониженной или утраченной пассивностью становятся анодом, окружающие — катодом. При наличии влаги анод и катод образуют коррозионный элемент, где анод (незащищенные участки) корродирует. Из-за локализации питтинг проникает в толщину материала.

Щелевая коррозия

Высокопроникающий тип локализованной коррозии в щелях или непосредственно рядом с ними на поверхности металла. Щели могут быть от соединения двух поверхностей (металл-металл или металл-неметалл) или от накопления отложений (грязь, ил, биофолинг).

Характеризуется ухудшением в области щели, тогда как окружающие участки остаются нетронутыми. Главный критерий развития — наличие застойной воды в щели. Отсутствие движения жидкости ведет к истощению растворенного кислорода и избытку положительных ионов в щели.

Это вызывает серию электрохимических реакций, меняющих состав жидкости и делающих её кислой. Кислая жидкость в щели разрушает пассивный слой металла, делая его уязвимым для коррозии.

Нитевидная коррозия (филиформ)

Происходит под покрашенными или покрытыми поверхностями. Дефекты покраски/покрытия пропускают воду, вызывая коррозию под защитным слоем, ослабляя структуру.

3. ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ

Результат специфических условий. Только в средах с электрохимически несродными металлами в электрическом контакте, экспонированных электролиту. Происходит при гальванической связке анодного и катодного металлов. Анод корродирует быстрее из-за связи, катод — медленнее.

4. КОРРОЗИЯ, ВЫЗЫВАЕМАЯ СРЕДОЙ (ENVIRONMENTAL CRACKING)

Происходит, когда среда негативно влияет на углеродистую сталь. Химикаты, напряжение, температуры создают условия для коррозионного трещинобразования под напряжением (SCC), коррозионной усталости, хрупкости в жидком металле, водородного трещинобразования.

5. ПОТОК-АССИСТИРОВАННАЯ И ИНТЕРГРАНУЛЛЯРНАЯ КОРРОЗИЯ

Поток-ассистированная коррозия — когда защитный оксидный слой растворяется со временем потоком ветра или воды. Это обнажает оксид на поверхности, экспонируя последующие слои дальнейшей коррозии.

Интергрануллярная коррозия атакует границы зерен металла, часто из-за примесей. Примеси часто в более высоких концентрациях у границ зерен, делая их уязвимыми.

6. ФРЕТТИНГ-КОРРОЗИЯ (КОНТАКТНАЯ КОРРОЗИЯ)

Возникает при повторных нагрузках, вибрации или износе, вызывающих ямки и борозды на поверхности. Чаще всего в движущихся частях механизмов или поверхностях, подверженных вибрации при транспортировке.

4. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ КОРРОЗИЯ

Может происходить от окисления, сульфидации, карбонизации или от топлив с ванадием. Сульфаты также образуют коррозионно-активные соединения, атакующие углеродистую сталь, обычно стойкую к высоким температурам и коррозии.

8. ПОЧВЕННАЯ КОРРОЗИЯ

Видна, когда углеродистая сталь экспонирована влаге и кислороду в окружающей почве. Почвы с высокой влажностью, электропроводностью, кислотностью, растворенными солями — самые коррозионно-активные.

Так как углеродистая сталь ~85% мирового производства стали, необходимо знать факторы её повреждения. Понимание и управление коррозией углеродистой стали помогает снизить высокие затраты, связанные с этой частой проблемой.

Последствия коррозии

Последствия: значительная деградация природных и исторических памятников, повышенный риск катастрофических отказов оборудования. Загрязнение воздуха вызывает коррозию, ухудшающуюся по всему миру.

Годовая мировая стоимость металлической коррозии оценивается в $2+ триллионов, эксперты считают, что 25–30% можно предотвратить правильной защитой. Плохо спланированные проекты ведут к замене корродированных конструкций — растрата природных ресурсов, противоречит глобальным целям устойчивого развития. Кроме того, коррозия ведет к проблемам безопасности, гибели людей, косвенным затратам, репутационному ущербу.

Прямые последствия коррозии могут включать:

• Повреждение электроники комерческих самолетов и автомобилей
• Повреждение жестких дисков и компьютеров, управляющих сложными процессами (АЭС, нефтехимия, целлюлозно-бумажные заводы)
• Повреждение серверных и дата-центров
• Повреждение музейных экспонатов
• Затраты на ремонт или замену бытовой техники

Как предотвратить коррозию

Несколько экономичных способов предотвращения коррозии:

• Использовать некорродирующие металлы: нержавеющую сталь, алюминий.
• Держать поверхность металла чистой и сухой.
• Использовать сушищие агенты.
• Наносить покрытие или барьер: смазку, масло, краску, углеродное волокно.
• Укладывать слой засыпки (известняк) для подземных труб.
• Использовать жертвенный анод для катодной защиты.

Можно предотвратить коррозию, правильно выбирая:

• Тип металла
• Защитное покрытие
• Меры по контролю среды
• Жертвенные покрытия
• Ингибиторы коррозии
• Конструктивные модификации

1. Тип металла

Простой способ — использовать коррозионно-стойкий металл: алюминий или нержавеющую сталь. В зависимости от применения, эти металлы снижают потребность в дополнительной защите.

2. Защитные покрытия

Покраска — экономичный способ предотвращения коррозии. Краска как барьер предотвращает перенос электрохимических зарядов от коррозионного раствора к металлу под ней.

Другой вариант — порошковое покрытие. Сухой порошок наносят на чистый металл, затем нагревают — порошок плавится в гладкую цельную пленку. Разные составы: акрил, полиэстер, эпоксид, нейлон, уретан.

3. Меры по контролю среды

Коррозия вызвана химической реакцией металла с газами среды. Контролируя среду, минимизируют нежелательные реакции.

Может быть просто: ограничить контакт с дождем/морской водой. Или сложнее: контролировать серу, хлор, кислород. Пример — обработка воды в водогреях смягчителями для регулировки жесткости, щелочности, кислорода.

4. Жертвенные покрытия

Жертвенное покрытие — наносение более склонного к окислению металла; отсюда термин «жертвенное».

Две основные техники: катодная и анодная защита.

Катодная защита

Частый пример — покрытие легированной стали цинком (гальванизация). Цинк активнее стали, при коррозии окисляется, ингибируя коррозию стали.

Метод называется катодной защитой, так как сталь становится катодом электрохимической ячейки. Применяется для стальных трубопроводов (вода, топливо), баков водонагревателей, корпусов судов, морских нефтяных платформ.

Анодная защита

Анодная защита — покрытие легированной стали менее активным металлом (олово). Олово не корродирует, сталь защищена, пока оловянный слой цел. Метод делает сталь анодом электрохимической ячейки.

Часто применяется к углеродистым резервуарам для хранения серной кислоты и 50% едкого натра. В этих средах катодная защита непригодна из-за экстремально высоких токов.

Ингибиторы коррозии

Ингибиторы — химикаты, реагирующие с поверхностью металла или окружающими газами для подавления электрохимических реакций коррозии. Работают, наносясь на поверхность, где формируют защитную пленку. Наносятся раствором или покрытием дисперсией. Часто применяют через пассивацию.

Пассивация

При пассивации тонкий слой защитного материала (оксид металла) создает барьер против коррозии. Формирование слоя зависит от pH среды, температуры, химического состава.

Пример — Статуя Свободы, где сине-зеленая патина защищает медь под ней. Ингибиторы используют в нефтепереработке, химическом производстве, водоочистке.

Конструктивные модификации

Изменения дизайна помогают снизить коррозию и улучшить долговечность существующих антикоррозийных покрытий. Идеально: избегать заторы пыли/воды, способствовать движению воздуха, избегать открытых щелей. Обеспечение доступа для регулярного обслуживания увеличивает срок службы.

Часто задаваемые вопросы

Что такое коррозия — объяснение?

Коррозия — ухудшение материала в результате взаимодействия с окружением, может произойти в любой точке и времени при нефтегазовой переработке. Определение применимо к любому материалу, но обычно резервируется для металлических сплавов.

Что вызывает коррозию?

Общая коррозия — когда большинство или все атомы на поверхности металла окисляются, повреждая всю поверхность. Большинство металлов легко окисляются: теряют электроны кислороду (и др.) в воздухе или воде. При восстановлении кислорода (приобретении электронов) образуется оксид с металлом.

Каковы 3 типа коррозии?

Типы коррозии и предотвращение:

• Равномерная коррозия. Равномерная атака по поверхности, самый частый тип.
• Точечная коррозия.
• Щелевая коррозия.
• Интергрануллярная коррозия.
• Коррозионное трещинобразование под напряжением (SCC).
• Гальваническая коррозия.

Является ли коррозия ржавлением?

Коррозия включает ржавчину. Ржавчина — тип коррозии. Коррозия — процесс ухудшения материалов (металлов и неметаллов) в результате окисления. Ржавление — окисление железа при наличии воздуха и влаги.

Что такое коррозия 10 класс?

Постепенное разрушение чистых металлов действием воздуха, влаги или химикатата (кислота) на поверхности — коррозия. Железный предмет во влажном воздухе длительное время покрывается красно-коричневым веществом — ржавчиной. Коррозия железа называется «ржавлением».

Как образуется ржавчина?

Когда кислотные вещества (включая воду) контактируют с металлами (железо/сталь), начинается ржавление. Результат корродирования стали после воздействия на частицы железа (Fe) кислорода и влаги (влажность, пар, погружение).

Каков эффект коррозии?

Значительная деградация природных и исторических памятников, повышенный риск катастрофических отказов оборудования. Загрязнение воздуха вызывает коррозию, ухудшающуюся по миру.

Каковы 6 основных типов коррозии?

Типы коррозии, требующие изучения для точной идентификации:

• Эрозионная коррозия. При течении коррозионно-активной жидкости по металлу.
• Интергрануллярная коррозия.
• Фреттинг-коррозия.
• Кавитационная коррозия.
• Деаллоирование (селективное выщелачивание).
• Эксфолиативная коррозия.

Какие металлы корродируют?

Технически только железо и сплавы с железом могут ржаветь. Другие металлы, включая благородные (золото, серебро), могут корродировать похожим образом.

Формула ржавчины?

Ржавчина — гидратированный ферриковый оксид, формула Fe₂O₃.

Ржавеет или корродирует ли золото?

В чистом виде золото не ржавеет и не тускнеет — не соединяется с кислородом легко. Поэтому чистое золото остается блестящим. В ювелирке чистое золото редко встречается.

Корродирует ли алюминий?

Ржавчина — тип коррозии (износ металла). Просто: алюминий не ржавеет, но корродирует. Термины часто используют как синонимы, но принципиально различны. При контакте с кислородом на алюминии образуется оксидный слой.

Почему ржавчина красная?

При воздействии больших объемов воды и кислорода железо окисляется с примесью — образуется «красная» ржавчина.

Как коррозия влияет на здоровье?

Коррозионно-активные вещества разрушают (хотя бы повреждают) металл. Но не только. В конечном счете, коррозионные вещества могут повредить не только металл, но пищеварительный, дыхательный тракты, глаза, кожу.

Как коррозия влияет на окружающую среду?

Помимо повседневных контактов с деградацией, коррозия вызывает остановки заводов, растрату ресурсов, потерю/загрязнение продукта, снижение эффективности, дорогое обслуживание, дорогое перепроектирование. Может угрожать безопасности и тормозить технологический прогресс.

Какие проблемы вызывает ржавчина?

• Ржавчина может заклинивать металлические детали, которые должны скользить друг по другу.
• Ржавые глушители и кузова авто могут получать дыры.
• Влияет на магнитные свойства металла.
• Железо — хороший проводник электричества.

Может ли коррозия произойти без кислорода?

Микробиальная коррозия (MIC) — вызывается микроорганизмами. Применяется к металлическим и неметаллическим материалам с или без кислорода. Без кислорода активны сульфат-восстанавливающие бактерии, производящие сульфид водорода — сульфидное трещинобразование под напряжением.

Какие металлы корродируют быстрее всего?

Цинк и обычная сталь корродировали быстрее во всех растворах. Удивительно, алюминий, который выше в ряду активности, чем цинк, показал малую коррозию.

Каковы 8 типов коррозии?

Много типов, видимых невооруженным глазом: равномерная, точечная, щелевая, нитевидная, гальваническая, вызванная средой, фреттинг-коррозия — назовем несколько. Рассмотрим, как они происходят и повреждают углеродистую сталь.

Ржавчина — ферриковая или феррозная?

Ржавчина — термин для красных оксидов железа, образующихся при коррозии феррозных металлов. Обычное название химикатов, получающихся при реакции железа с кислородом и водой.

Что может корродировать платину?

Металл не окисляется в воздухе при любой температуре, но корродирует галогенами, цианидами, серой, едкими щелочами. Не растворяется в соляной и азотной кислотах, но растворяется в царской воде (смесь), образуя хлорплатиновую кислоту.

Какой металл не ржавеет на улице?

Для таких применений популярны алюминий и нержавеющая сталь. Алюминий не ржавеет — безопасен для улицы.

Может ли ржавчина отравить?

Ржавчина — комбинация атомов железа и кислорода. Этот соединение, тип оксида железа, не известно как вредное для людей при контакте с кожей. Ржавчиные пятна на коже не несут рисков для здоровья.

Может ли сталь ржаветь без кислорода?

Ржавление невозможно без воды и кислорода. Вода помогает железу реагировать с кислородом, расщепляя молекулу кислорода. На начальном этапе ржавления железо теряет электроны, кислород приобретает.

Что такое пример коррозионно-активного вещества?

Кислоты и основы — частые коррозионно-активные материалы. Также называют едкими. Типичные кислотные коррозионные: соляная (соляная) и серная кислоты. Типичные основные: гидроксид натрия и луженая вода.