Защита металла от коррозии

Химическую коррозию металлов вызывают коррозионно-агрессивные агенты, из которых наиболее известен кислород – к примеру, окалина, образующаяся на поверхности раскаленных металлических изделий в ходе их формовки, вызвана именно кислородом. Электрохимическая коррозия происходит вследствие образования катодно-анодной пары, чьи потенциалы окисления и восстановления различны. Для гальванической коррозии, как впрочем и для любого гальванического элемента, необходим электролит – чаще всего им становится атмосферная влага с высоким содержанием солей.

По своей интенсивности коррозия подразделяется на три основных подвида – местная, охватывающая лишь некоторые секторы металлического изделия, равномерная, развивающаяся по всей поверхности металла и межкристаллитная, глубоко поражающая структуру металлов между зернами (кристаллами). Коррозионные процессы происходят с разной степенью интенсивности, но результат у них одинаков – Fe(OH)₃ или гидроксид железа.

Как происходит электрохимическая коррозия

Для развития электрохимической коррозии погружать металлы в раствор природного электролита не обязательно, хватит и легкой поверхностной пленки. Как правило, данный вид коррозии протекает за счет присутствия электролита вокруг металла – в почвенном слое, в бетоне и пр. В городах постоянным источником компонентов для электролитического раствора служат натриевые и калийные соли, активно используемые зимой для борьбы с обледенением дорожных покрытий. Каждый холодный сезон наносит значительный урон днищу автомашин и коммуникационным путям под землей – фонтанирующие выбросы воды на городском трубопроводе происходят именно по причине коррозии.

Разрушение металлов и сплавов, вызванных электрохимическими коррозионными процессами, протекает следующим образом – «металлические» атомы переходят в электролит, становясь положительно заряженными ионами, а взамен них металл получает из раствора электроны, заряженные отрицательно. Образовав с электролитом гальваническую пару, металл медленно, но верно разрушается – со временем все его атомы перейдут в раствор.

Интенсивность электрохимической коррозии многократно возрастает в присутствии блуждающих токов, происходящих при утечках из электросети в наземные и подземные воды, а из них – в металлоконструкции. Блуждающие токи не задерживаются в металле и возвращаются в токопроводящую среду (водоем или насыщенную влагой почву), при этом в зоне возврата токов происходит коррозия металла. Основной источник блуждающих токов – рельсовый электротранспорт (трамваи и электропоезда). Блуждающий ток, сила которого равна одному амперу, превратит в труху около 9 кг черных металлов, более 33 кг свинца и порядка 11 кг цинка, воздействуя на них полный календарный год.

Причины химической коррозии

Металла коррозирует и в средах, электрического тока не проводящих – органические жидкости (спирты, продукты крекинга нефти), сухие газы. Результатом химической коррозии становится поверхностная оксидная пленка, процесс образования которой ускоряется с ростом температуры.

Любые металлы, быть то цветные или черные, одинаково беззащитны перед химической коррозией. Некоторым преимуществом обладают цветные металлы, относящиеся к активным – к примеру, на поверхности алюминия при контакте с химическими коррозирующими средами образуется прочная оксидная пленка, блокирующая дальнейшие окислительные процессы. На изделиях из меди, активность которой значительно ниже, чем у алюминия, из-за окисления воздухом появляется зеленоватая патина.

Рассчитывать на защиту металла с помощью оксидной пленки можно лишь в том случае, если ее кристаллохимическая структура будет идентична строению кристаллической решетки самого металла, иначе коррозия продолжится.
Химическая коррозия в сплавах происходит несколько иначе – с восстановлением части их компонентов. К примеру, в условиях высокого давления и значительных температур со знаком плюс карбиды в составе сталей восстанавливаются водородом, лишая сплавы расчетных характеристик и свойств.

Как обеспечить металлу защиту от коррозии

Поскольку химической коррозии металлы и сплавы подвергаются еще в процессе формовки металлоконструкций, первая и наиболее ответственная задача в области антикоррозийной защиты – подготовка поверхностей металлических изделий. Наиболее эффективный способ подготовки – абразивоструйная очистка, позволяющая полностью устранить окалину и очаговую коррозию перед покрытием металлических поверхностей антикоррозийными материалами.

Максимально снизить коррозийное воздействие окружающей среды на металлоконструкции можно следующими методами – преуменьшить агрессию окружающей среды, изолировать поверхность металла от агрессивных компонентов среды или придать стойкость металлическому изделию к источникам коррозии. Способы борьбы с коррозией металла в этой связи подразделяются на активную, пассивную и конструкционную защиту.

Активная защита от коррозии металла

С целью понижения агрессивности среды в нее вводят неметаллические ингибиторы, снижающие кислотность грунта и воды в зоне размещения металлоконструкций. Устранение свободного кислорода, диоксида углерода и хлоридов из воды позволит многократно сократить коррозионные процессы на поверхности железа и его сплавов, и также свинцовых, медных, цинковых и латунных изделий. Кислотность грунта уменьшается путем известкования.

Коррозионные процессы на поверхности погруженных в землю металлоконструкций и путепроводов минимизируются следующими способами:

• еще на стадии проектирования необходимо как можно дальше развести маршруты трубных путепроводов и электротранспорта, в идеале их пересечений быть не должно вовсе;
• потенциальные источники блуждающих токов связываются с рельсом трамвайного пути или железной дороги при помощи электропроводящего материала;
• выведение путепроводов над поверхностью земли с установкой на защищенных изоляцией опорах – этот ход позволит создать сопротивление, блокирующее доступ блуждающим токам из грунта в трубопровод;
• электропроводящие перемычки, установленные между трубами параллельно проходящих путепроводов, уровняют их электрических потенциал;
• с целью увеличения электропроводимости в продольном направлении трубопровода, необходимо оснастить сальниковые компенсаторы и фланцы токопроводящими перемычками;
• вводы трубопроводных коммуникаций, заходящие в объекты, потенциально способные испускать блуждающие токи, следует оснастить электроизолирующими фланцами.

Для обеспечения коррозионной защиты изолированных металлических объектов и металлоконструкций относительно небольших размеров применяется анод-протектор. Он выполнен из активного цветного металла или его сплава – алюминия, магния или цинка. Поскольку электрический потенциал анода более отрицателен, чем у защищаемого металлического изделия, то коррозионные процессы будут действовать только в отношении него, не затрагивая саму металлоконструкцию.

Значительные по площади и размерам металлические объекты сохраняются от коррозии при помощи станций катодной защиты. Сеть анодов-протекторов, запитанная постоянным током от станции, принимает на себя электрохимическую коррозию, оберегая тем самым металлоконструкции.

Пассивная антикоррозийная защита

Существует два способа пассивного предохранения поверхности металлоконструкций от коррозии – неметаллические и металлические покрытия. Для сохранения изделий из металла пассивная защита используется дольше, чем любой другая методика – к примеру, техника лужения оловом известна уже более 2 тысячелетий.

Неметаллические покрытия. Полимерные и лакокрасочные материалы формируют на изделии из металла плотную пленку, которая, буду неповрежденной, изолирует поверхности от агрессии окружающей среды.

Такие покрытия удобно наносить, для этого не требуется ни специальных условий к помещению работ, ни сложного оборудования, ни наличия узкоспециальных навыков у исполнителей. Покраска металлических конструкций может производиться вручную или с применением средств механизации. Целостность лакокрасочных неметаллических покрытий, нарушенная в процессе эксплуатации изделия, легко восстановима, при этом затраты на необходимые материалы минимальны. Тем не менее, эффективность антикоррозийной защиты, обеспечиваемой неметаллическими покрытиями, напрямую зависит от качества зачистных работ, выполняемых непосредственно перед нанесением лакокрасочного или полимерного покрытия.

Покрытия из неметаллических антикоррозийных материалов наносятся в несколько слоев – не менее 2-х. Большее количество слоев качественной краски или лака повысит сохранность металлоконструкции.

Защита металла от коррозии достигается также при помощи полимерных покрытий – поливинилхлорида, полистирола, эпоксидных смол и полиэтилена. В объектах строительства железобетонные закладные элементы дополнительно изолируются от атмосферы обмазками из перхлорвинила или полистирола, смешанных с бетоном.

Металлические покрытия. Они представлены металлами-ингибиторами, среди которых коррозионностойкие (свинец, олово, серебро, никель и медь) и протекторные (алюминий, цинк и кадмий). Металлические покрытия из первой группы более электроположительны, чем защищаемый объект, а покрытия из второй группы – более электроотрицательны.
Независимо от типа металла-ингибитора его слой на металлической конструкции формируется химическим способом в условиях цеха. И белую жесть, необходимую для производства консервированных продуктов (из нее делают жестебанки), и оцинкованное кровельное железо получают по одной и той же технологии – пропуском листового металла через резервуар с расплавом ингибитора.

Защитное покрытие из цинка наносится на арматуру из чугуна и стали, на водопроводные трубы, предназначенные для холодного водоснабжения – износ оцинкованных труб при их использовании под горячую воду будет происходить быстрее, чем у неоцинкованных. Следует отметить, что слой оцинковки относится к наихудшему типу металлического покрытия по сравнению с другими ингибиторами – его поверхность редко бывает целостной, чаще содержит множество мелких трещин, устраняемых только поверхностным покрытием расплава никеля.

Алюминий, на первый взгляд, идеален в качестве антикоррозийного слоя – из-за малого удельного веса его расход при алюминировании минимален, а стойкость к агрессивным средам значительно выше, чем у оцинковки. Но этот металл применяется значительно реже, чем прочие ингибиторы – в состоянии расплава алюминий высоко агрессивен к черным металлам и сплавам.

Конструкционная защита металла от агрессивных сред

Для получения стали с высокими антикоррозийными свойствами в ее состав вводят цветные металлы – никель, титан, марганец, хром и медь, образующие поверхностную оксидную пленку. Стальные сплавы, их содержащие, относятся к легированным сталям.

По сравнению с прочими легирующими добавками наибольшую стойкость к агрессивной среде стальному сплаву обеспечивает хром – поверхности хромированные стали защищает особенно плотная оксидная пленка. Медь, вводимая в небольшом количестве (до 0,5% от общей массы сплава) увеличивает антикоррозийные свойства углеродистых и низколегированных сталей практически вдвое.

Универсального типа легированной стали, способной противостоять коррозионным процессам в любых условиях, не существует – стали способны «работать» в одних средах и не способны в других (т.е. коррозия будет развиваться в них так же, как и в обычных черных металлах (сплавах)). Необходимо оценить агрессивные факторы в месте предстоящего размещения металлоконструкции и лишь после подбирать легированную сталь с оптимальными характеристиками.