Как обеспечить коррозионную стойкость металлов?

Коррозия металлов наносит колоссальный экономический ущерб различным отраслям промышленности. По оценкам экспертов, ежегодные потери от коррозии в мире составляют около 3% валового национального продукта. Коррозия не только сокращает срок службы оборудования и конструкций, но и приводит к авариям и техногенным катастрофам. Поэтому проблема повышения коррозионной стойкости металлов является как никогда актуальной.

Что такое коррозия и как она разрушает металлы

Коррозия представляет собой самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. Существует два основных типа коррозии:

• Химическая коррозия — взаимодействие металла с газообразным окислителем, чаще всего кислородом воздуха.
• Электрохимическая коррозия — разрушение металла под действием жидких электролитов, например воды или водных растворов солей, кислот, щелочей.

Скорость коррозии можно оценить с помощью качественных и количественных показателей. К качественным относят внешние изменения поверхности — появление пятен, трещин, коррозионных язв. К количественным — глубину проникновения коррозии, потерю массы образца, объем выделившегося водорода.

Коррозия наносит огромный экономический ущерб. Так, по оценкам, в нефтегазовой отрасли из-за коррозии ежегодно выбывает из строя около 20% оборудования. Потери в металлургии и машиностроении составляют до 10% стоимости продукции. Коррозия снижает механические свойства металлов, вызывает разрушение сварных швов и крепежа, приводит к потере герметичности емкостей и трубопроводов.

Факторы, влияющие на коррозионную стойкость

На устойчивость металлов к коррозии влияет целый ряд факторов:

• Химический состав. Легирующие элементы, такие как хром, никель, молибден повышают коррозионную стойкость.
• Структура металла. Мелкозернистая структура и отсутствие дефектов улучшают защиту от коррозии.
• Внешние условия. Высокая температура, влажность, наличие хлоридов, кислот и щелочей ускоряют коррозию.
• Контакт с другими металлами. При контакте разнородных металлов возникает биметаллическая коррозия.

Особенно агрессивна морская вода, содержащая хлорид натрия. Стойкость материалов к морской коррозии оценивают в камерах солевого тумана.

Опасен контакт стали с более электроотрицательными металлами — медью, свинцом, оловом. В местах контакта возникают гальванические микроэлементы, ускоряющие разрушение стали.

Методы защиты металлов от коррозии

Для повышения коррозионной стойкости применяют различные методы:

1. Легирование сталей хромом, никелем, молибденом.
2. Нанесение защитных покрытий — хромирование, никелирование, алитирование.
3. Электрохимическая защита с помощью протекторов и катодной поляризации.
4. Использование ингибиторов коррозии — веществ, замедляющих коррозию.
5. Контроль внешних факторов — температуры, влажности, pH среды.

Для защиты от атмосферной коррозии используют цинковые, алюминиевые, лакокрасочные покрытия. От коррозии в агрессивных средах применяют покрытия на основе никеля, хрома, кремния.

Эффективны электрохимические методы защиты с использованием внешних источников тока и гальванических анодов-протекторов из магния, цинка, алюминия.

Коррозионностойкие металлы и сплавы

Для применения в агрессивных средах разработаны специальные коррозионностойкие металлы и сплавы. Широко используются нержавеющие и жаропрочные сплавы.

Нержавеющие стали

Нержавеющие стали содержат не менее 12% хрома, образующего на поверхности плотную оксидную пленку, защищающую от коррозии. Различают аустенитные, ферритные, мартенситные и двухфазные нержавеющие стали.

Аустенитные хромоникелевые стали типа 12Х18Н10Т обладают высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Их применяют для химического оборудования, в медицине.

Ферритные хромистые стали используются в автомобилестроении, бытовой технике. Мартенситные стали применяют для ножей и хирургического инструмента.

Жаропрочные сплавы

Жаропрочные сплавы на основе никеля и кобальта — это жаростойкие и коррозионностойкие материалы для авиакосмической и ракетной техники. Например, сплав ХН65ВМТКЮ обладает высокой жаростойкостью до 1000°C.

Методы оценки коррозионной стойкости

Для оценки коррозионной стойкости материалов используются различные методы:

• Визуальный осмотр и металлография.
• Гравиметрический метод по потере массы образцов.
• Электрохимические методы с измерением тока и потенциала.
• Ускоренные испытания в камерах солевого тумана.

Для прогнозирования долговечности материалов проводят корреляцию результатов лабораторных и натурных испытаний.

Выбор коррозионностойких материалов

При выборе материалов учитывают:

• Условия эксплуатации: температуру, среду, механические нагрузки.
• Требуемую коррозионную стойкость и срок службы.
• Технологичность обработки материала.
• Экономическую целесообразность применения.

Для морской техники особо важна стойкость к морской коррозии. В этом случае подходят двухфазные нержавеющие стали, титановые и алюминиевые сплавы.

Примеры применения коррозионностойких сплавов

Коррозионностойкие сплавы широко используются:

• В химической, нефтяной, пищевой промышленности.
• Для деталей морской техники и гидротехнических сооружений.
• В медицине для имплантатов и хирургических инструментов.
• В авиации, ракетостроении, космической технике.
• Для производства бытовой техники и инструментов.

Рекомендации по повышению коррозионной стойкости

Для обеспечения высокой коррозионной стойкости металлических изделий и конструкций рекомендуется:

• Тщательно подбирать материалы с учетом условий эксплуатации.
• Применять защитные покрытия, сохраняющие свойства основного металла.
• Контролировать и регулировать внешние факторы - температуру, влажность, состав среды.
• Избегать контакта разнородных металлов, вызывающего биметаллическую коррозию.
• Проводить периодический мониторинг и техническое обслуживание оборудования.

Выбор материалов

При выборе материалов для агрессивных сред важно учитывать температуру, давление, состав рабочей среды, а также требования к механическим свойствам.

Защитные покрытия

Для сохранения свойств основного металла следует применять защитные покрытия с близкими физико-химическими характеристиками. Например, алюминиевые сплавы целесообразно покрывать алюминием, сталь - цинком или кадмием.

Контроль внешних факторов

Коррозионную стойкость можно повысить за счет оптимизации температуры, влажности, состава и скорости движения рабочей среды. Эффективно также поддержание определенного уровня pH.

Предотвращение биметаллической коррозии

Для предотвращения биметаллической коррозии рекомендуется избегать контакта стали с медью, оловом, свинцом. В неизбежных случаях использовать прокладки из полимеров или нержавеющей стали.

Мониторинг и обслуживание

Регулярный мониторинг коррозионного состояния оборудования и своевременное техобслуживание, включая очистку и восстановление защитных покрытий, значительно продлевает срок службы металлоконструкций.