Коррозия металлов и методы ее предотвращения

Что такое коррозия?

Предметы повседневного пользования или архитектурные элементы из металлов и их сплавов ежедневно подвергаются воздействию различных факторов внешней среды. В результате происходит разрушение материалов вследствие химической или электрохимической реакции, которую называют коррозией (соответственно химической или электрохимической).

Коррозию часто называют ржавчиной — термин применяется к металлическим материалам. На их поверхности появляется характерный, рыжий налет, то есть ржавчина. Ржавчина – это не отдельное химическое соединение, а слой оксидов, гидроксидов и солей железа (продуктов окисления железа и его сплавов, например стали).

Факторы внешней среды, под воздействием которых возникает коррозия:

• атмосферные осадки,
• влажность,
• загрязнение окружающей среды (например, оксиды серы, оксиды азота, пыль),
• неподходящий уровень pH,
• натяжение материалов,
• наличие биоорганизмов,
• контакт с почвой.

Химическая и электрохимическая коррозия

Химическая коррозия

Химическая коррозия происходит в среде, где отсутствует ионная проводимость, то есть чаще всего в присутствии дымовых газов, нефти, выбранных органических веществ или газов, таких как водород, сероводород, окись углерода (II), а также хлор. Химическую коррозию иногда также называют сухой коррозией. Коррозионно-активный материал обычно находится в полном контакте с коррозионно-активной средой. Но в целом особой угрозы для конструкции не представляет.

Электрохимическая коррозия

Происходит в среде, способной проводить электрические заряды (в электролитах). Такой средой может быть, например, вода вместе с растворенными газами и солями. Затем на поверхности материала (например, в месте контакта с влагой) образуются местные гальванические элементы. Присутствие электролита приводит к замыканию цепи. Последствием электрохимической коррозии является окисление поверхности металла и образование бурого налета, т.е. ржавчины.

Коррозия металлов и их пассивация

Поверхность металла при контакте с коррозионным агентом подвергается окислению – на поверхности образуется оксидная пленка металла. Не всегда это нежелательное явление. Пассивация – явление, при котором на поверхности металла образуется достаточно плотная и прочно связанная оксидная пленка. Ее задача – защитить материал от дальнейшей деградации (дальнейшего окисления).

Явление пассивации можно наблюдать, например, в случае алюминия. Хотя это высокореактивный металл, он устойчив к коррозии благодаря пассивации. Металлы обычно подвергаются процессам пассивации – это один из антикоррозионных методов. Существует также естественная пассивация. Ее можно наблюдать у меди, на поверхности которой образуется зеленый налет, называемый патиной.

Только металлы подвергаются коррозии?

На элементах из металла и металлических сплавов чаще всего наблюдается деградация вследствие химической или электрохимической коррозии. Электрохимическая коррозия железа, стали, меди или алюминия является обычным явлением, но это явление также затрагивает другие материалы, а не только металлические, например, мы имеем дело с химической коррозией бетона.

Коррозионные материалы (кроме металлов):

• бетон и железобетон,
• пластмассы,
• древесина,
• керамика.

Механизм коррозии различен для отдельных материалов. Это во многом зависит от типа электропроводности на границе раздела материал-среда. Кроме того, важным вопросом является тип среды, в которой находится материал. В случае тел с высокой проводимостью мы обычно имеем дело с электрохимической коррозией. С другой стороны, при низкой проводимости (или ее отсутствии) природа коррозии гораздо более химическая (или физико-химическая).

Антикоррозийные методы

Явление коррозии не может быть полностью устранено. Любые антикоррозийные методы предназначены для замедления этого процесса. Драгоценные металлы, встречающиеся в природе в несвязанном виде, не требуют защиты от коррозии. Это, например, золото или платина.

Методы защиты от коррозии:

• устранение из окружающей среды факторов, ответственных за коррозионные процессы, например, удаление влаги, использование ионообменников для удаления растворенных в воде солей, нейтрализация кислых веществ;
• применение веществ, снижающих скорость коррозии (ингибиторов);
• изменение электродного потенциала металла;
• использование защитных покрытий. Металл может быть покрыт другим, более благородным металлом, чем защищаемый металл — изолирующим покрытием, или менее благородным металлом — экранирующим покрытием;
• использование неорганических покрытий, например стекловидных эмалей, хроматных покрытий;
• использование органических покрытий, например, полимерных материалов, красок для верхнего покрытия.

Популярной защитой от коррозии является использование покрытий. Они наносятся путем погружения элемента в расплавленный металл (огнепокрытие) или наносятся из водного раствора электролита путем электролиза (гальваническое покрытие). Менее распространенным методом нанесения покрытия является металлизация распылением, то есть выполняется с помощью пистолета.

Наиболее часто используемым защитным металлом является цинк. Используется, в частности, в качестве покрытия на стали или чугуне. Цинковое покрытие проявляет хорошие защитные свойства, несмотря на меньшую термодинамическую стабильность по сравнению с железом. Защищая металлический элемент от деградации, он также может подвергаться коррозионным процессам при контакте с влагой. Прочность цинкового покрытия зависит не только от его толщины, но и от условий окружающей среды, в которых используется элемент. По способу нанесения различают гальваническое цинкование и горячее цинкование.

Экономические последствия коррозии в глобальном масштабе

Коррозия – глобальная проблема. По-прежнему регистрируются смертельные случаи, экономические потери и экологические последствия, вызванные коррозией материалов. Коррозия может привести к серьезным поломкам сосудов высокого давления, деталей самолетов или тягового оборудования.

Как сообщает Мухаммад А Джафар Мазумдер в статье «Global Impact of Corrosion: Occurrence, Cost and Mitigation (2020)» (Глобальное воздействие коррозии: возникновение, стоимость и смягчение последствий), типичные расходы на техническое обслуживание, связанные с проблемами коррозии для страны, варьируются от 1 до 5% от ее валового внутреннего продукта. В 2013 году организация NACE International провела глобальное исследование экономических последствий коррозии. Его целью было показать, насколько важно интегрировать антикоррозийную технологию в системы управления. В опубликованном отчете затраты на коррозию оцениваются в 2,5 трлн. $, т.е. 3,4% ВВП, а это означает, что ежегодно страны во всем мире должны выделять в бюджет значительные суммы для борьбы с коррозионным процессом.

Источники:

https://irispublishers.com/gjes/fulltext/global-impact-of-corrosion-occurrence-cost-and-mitigation.ID.000618.php

https://psk.org.pl/aktualnosci/ekonomiczne-skutki-korozji