Водоснабжение, водоподготовка и очистка сточных вод

Для просмотра сайта используйте Internet Explorer

7. ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ ВОДОПОДГОТОВИТЕЛЬНОГО И ОСНОВНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ. УДАЛЕНИЕ ОТЛОЖЕНИЙ

7.1.Коррозия металлов

Коррозией называется самопроизвольное разрушение металлических материалов, происходящее под химическим воздействием окружающей среды.

К важнейшим случаям коррозии относятся коррозия в газах (газовая коррозия) и коррозия в растворах электролитов (электрохимическая коррозия). Коррозия в газах происходит при повышенных температурах, когда конденсация влаги на поверхности металла невозможна. Газовой коррозии подвергаются арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания, лопатки газовых турбин и т. п. Газовую коррозию претерпевает также металл, подвергаемый термической обработке. В результате газовой коррозии на поверхности металла образуются соответствующие соединения: оксиды, сульфиды и др.

К совершенно особому виду коррозии относится диффузия водорода в сталь при высоких температурах. При этом водород взаимодействует с углеродом, имеющимся в стали, и превращает его в углеводород (обычно метан), что приводит к резкому ухудшению свойств стали.

Для изготовления деталей, подвергающихся действию коррозионноактивных газов, применяют жаростойкие сплавы. Для придания жаростойкости стали и чугуну в их состав вводят хром, кремний, алюминий; применяются также сплавы на основе никеля или кобальта. Защита от газовой коррозии осуществляется, кроме того, насыщением в горячем состоянии поверхности изделия некоторыми металлами, обладающими защитным действием. К таким металлам принадлежат алюминий и хромом. Защитное действие этих металлов обусловлено образованием на их поверхности весьма тонкой, но прочной оксидной пленки, препятствующей взаимодействию металла с окружающей средой. В случае алюминия этот метод носит название алитирования, в случае хрома - термохромирования.

К электрохимической коррозии относятся все случаи коррозии в водных растворах. Электрохимической коррозии подвергаются, например, подводные части судов, паровые котлы, проложенные в земле трубопроводы. Коррозия металла, находящегося во влажной атмосфере, также представляет собой электрохимическую коррозию. В результате электрохимической коррозии окисление металла может приводить как к образованию нерастворимых продуктов (например, ржавчины), так и к переходу металла в раствор в виде ионов.

В воде обычно содержится растворенный кислород, способный к восстановлению: O₂+4H⁺+4e^- =2H₂O.

Кроме того, в воде присутствуют ионы водорода, также способные к восстановлению: 2H⁺+2e^-=H₂.

Растворенный кислород и ионы водорода — важнейшие окислители, вызывающие электрохимическую коррозию металлов.

При рассмотрении окислительно-восстановительных реакций можно показать, что растворенный в воде или в нейтральном водном растворе кислород может окислять такие металлы как серебро, медь, железо, свинец, никель, кобальт, хром, цинк, марганец, титан, алюминий и т. д. в порядке убывания стандартного потенциала (см. Основы электрохимии), а водород – железо (двухвалентное), хром, цинк, марганец, титан, алюминий и т. д., образуя гидриды (FeH₂, CaH₂).

Вода, содержащая растворенный кислород, значительно опаснее в коррозионном отношении, чем вода, не содержащая его и способная окислять металлы только ионами водoрода.

Некоторые примеси значительно ускоряют коррозию металла по сравнению с его образцами высокой степени чистоты. Так, если в цинке содержится небольшое количество железа и меди скорость его коррозии значительно выше, чем в случае цинка высокой степени очистки. Так же ведет себя и алюминий, содержащий включения железа и меди. Сильно снижают коррозионную стойкость стали включения оксидов и шлаков.

Примеси, находящиеся в окружающей среде, могут адсорбироваться на поверхности металла и также каталитически влиять на коррозию, ускоряя или замедляя ее. Например, большинство сплавов железа коррозирует в морской воде гораздо быстрее, чем в воде с такой же концентрацией кислорода, не содержащей хлоридов. Это обусловлено тем, что хлорид-ионы, адсорбируясь на поверхности железа, препятствуют образованию на ней защитных слоев.

Некоторые металлы в определенных условиях переходят в пассивное состояние — на их поверхности образуются слои или пленки, состоящие из адсорбированного кислорода, из оксида данного металла, или из его соли. Присутствие таких слоев и их структура сильно влияют на скорость коррозии металла; в ряде случаев эти слои обладают защитным действием, вследствие чего металл коррозирует лишь ничтожно медленно. В условиях атмосферного воздуха пассивирующие пленки образуются на хроме, никеле, алюминии, цинке.

К важным случаям электрохимической коррозии относятся коррозия в природных водах, в растворах, атмосферная коррозия, коррозия в грунте, коррозия при неравномерной аэрации, контактная коррозия.

Контактная коррозия может протекать, когда два металла с различными потенциалами соприкасаются друг с другом либо в водной среде, либо при наличии влаги, конденсирующейся из воздуха. Так же, как и в рассмотренном выше случае значительных включений, металлы оказывают друг на друга поляризующее действие; металл с меньшим потенциалом поляризуется анодно, и скорость его коррозии вблизи места контакта резко возрастает.

Для предупреждения электрохимической коррозии и защиты от ее применяются разнообразные методы. К важнейшим из них относятся следующие:

1) применение химически стойких сплавов;

2) защита поверхности металла покрытиями;

3) обработка коррозионной среды;

4) электрохимические методы.

Из химически стойких сплавов наиболее широкое применение имеют нержавеющие стали, в состав которых входит до 18% хрома и до 10% никеля.

Покрытия, применяемые для защиты металлов, подразделяются на металлические, неметаллические и образованные в результате химической или электрохимической обработки поверхности металла.

В качестве металлов для покрытия обычно применяют металлы, образующие на своей поверхности защитные пленки. Как уже говорилось, к таким металлам относятся хром, никель, цинк, кадмий, алюминий, олово и некоторые другие. Значительно реже применяются металлы, имеющие высокий электродный потенциал — серебро, золото. Существуют различные способы нанесения металлических покрытий; наибольшие преимущества имеют методы гальванотехники.

К неметаллическим относятся покрытия лаками, красками, эмалями, фенолоформальдегидными и другими смолами¹. Для длительной защиты от атмосферной коррозии металлических сооружений, деталей, машин, приборов чаще всего применяются лакокрасочные покрытия.

Покрытия, создаваемые химической или электрохимической обработкой металла, представляют собой в основном защитные оксидные или солевые пленки. Примерами могут служить оксидирование алюминия (создание на его поверхности стойких оксидных пленок), фосфатирование стальных изделий (создание защитных пленок, состоящих из фосфатов – солей ортофосфорной кислоты H₃PO₄: Na₃PO₄; Ca₃(PO₄)₂; Na₂HPO₄; CaHPO₄; NaH₂PO₄; Ca(H₂PO₄)₂), алитирование стальных и чугунных изделий (насыщение поверхности алюминием) с целью защиты их от окисления при сильном нагревании.

Метод обработки внешней среды пригоден для случаев, когда защищаемое изделие эксплуатируется в ограниченном объеме жидкости. Метод состоит в удалении из раствора, в котором эксплуатируется защищаемая деталь, растворенного кислорода (деаэрация) или в добавлении к этому раствору веществ, замедляющих коррозию — ингибиторов. В зависимости от природы металла и раствора применяются различные ингибиторы: нитрит натрия (Na₂N), хромат и дихромат калия (соль хромовой H₂CrO₄ кислоты Na₂CrO₄ и соль дихромовой H₂Cr₂O₇ кислоты Na₂Cr₂O₇), фосфаты натрия (Na₃PO₄, Na₂HPO₄ NaH₂PO₄), некоторые высокомолекулярные органические соединения и другие. Защитное действие этих веществ обусловлено тем, что их молекулы или ионы адсорбируются на поверхности металла и каталитически снижают скорость коррозии, а некоторые из них (например, хроматы) переводят металл в пассивное состояние.

К электрохимическим методам защиты металлов относятся катодная защита и метод протекторов. При катодной защите защищаемая конструкция или деталь присоединяется к отрицательному полюсу источника электрической энергии и становится катодом. В качестве анодов используются куски железа. При надлежащей силе тока в цепи на защищаемом изделии происходит восстановление окислителя, процесс же окисления претерпевает вещество анода.

Метод протекторов осуществляется присоединением к защищаемому металлу большого листа, изготовленного из другого более активного металла — протектора. В качестве протектора при защите стальных изделий обычно применяют цинк или сплавы на основе магния. При хорошем контакте между металлами защищаемый металл (железо) и металл протектора (например, цинк) оказывают друг на друга поляризующее действие. Согласно взаимному положению этих металлов в ряду напряжений, железо поляризуется катодно, а цинк — анодно. В результате этого на железе идет процесс восстановления того окислителя, который присутствует в воде (обычно растворенный кислород), а цинк окисляется.

И протекторы, и катодная защита применимы в средах, хорошо проводящих электрический ток, например в морской воде. В частности, протекторы широко применяются для защиты подводных частей морских судов. Ясно, что убытки, вызванные коррозией корпуса морского судна и связанные с его простоем и ремонтом, очень велики и во много раз превышают стоимость протекторов.

¹Фенолоформальдегидная смола – это высокомолекулярное соединение, образующееся в результате взаимодействия фенола (C₆H₅OH) с формальдегидом (CH₂=OH) в присутствии кислот (HCl и др.) или щелочей (NaOH, NH₄OH) в качестве катализаторов.