Защита метриалов от коррозии

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Коррозия и защита металлических строительных конструкций

Классификация и виды коррозии металлов.

Классификация коррозионных процессов

I. По природе и механизму процессов взаимодействия окружающей среды с металлом эти процессы можно разделить на химические, электрохимические, физические, биологические, смешанные или совмещенные.

А. Химическая коррозия - взаимодействие металла с коррозионной средой, при котором происходят химические процессы (окисление, восстановление) в одном акте.

Б. Электрохимическая коррозия - разрушение металлов под влиянием растворов или расплавов электролитов.

В. Физическая коррозия - разрушение целостности изделия или конструкции без протекания химических реакций в материале.

Г. Биологическая коррозия - разрушение материала или изделия под воздействием биологических организмов (бактерий, грибов, растений, насекомых и т.д.).

II. Коррозионные процессы могут различаться по условиям протекания.

А. Газовая коррозия - протекает в среде агрессивного газа. Пример - коррозия металлов при высоких температурах.

Б. Атмосферная коррозия - коррозия в воздушной атмосфере, обычно во влажной среде или в среде другого влажного газа. В отсутствие влаги атмосферная коррозия переходит в газовую.

В. Жидкостная коррозия - протекает в разнообразных жидких средах - электролитах (растворы кислот, щелочей, солей, морская, речная вода, расплавы солей и т.д.). Условия протекания жидкостной коррозии могут быть очень разнообразными.

Г. Почвенная коррозия - коррозия в почвах, грунтах.

Д. Коррозия под влиянием внешних и блуждающих токов.

Е. Коррозия при трении или под напряжением - разрушение материала при совместном воздействии коррозионной среды и механических напряжений, трения, вибрации и т.д.

Ж. Структурная коррозия - коррозия в результате структурной неоднородности материалов.

З. Контактная коррозия - сопряжение электрохимически неоднородных материалов в электропроводящей среде. Примером может служить ускоренное разрушение металла при его контакте с другим металлом, имеющим больший потенциал.

Могут быть выделены и другие виды коррозии.

III. По характеру коррозионного разрушения коррозия бывает:

сплошная (общая) или местная. При сплошной коррозии корродирует вся поверхность материала. Она соответственно делится на равномерную, неравномерную, избирательную (коррозионный процесс распространяется преимущественно по какой-либо структурной составляющей).

Местная коррозия бывает: язвами, пятнами, щелевая, нитевидная, точечная (питтинг), ножевая, межкристаллитная, сквозная и т.д. Местная коррозия является наиболее опасным видом коррозии металлических конструкций. Будучи труднообнаруживаемой, она часто является причиной серьезных разрушений.

Специфическим видом коррозионного разрушения металлов является коррозионная хрупкость - разрушение металла без заметного поглощения механической энергии. Примером может служить охрупчивание высокопрочных сталей в результате насыщения водородом при работе в нефтяных скважинах.

Виды коррозионого разрушения металлов

По характеру разрушений поверхности металла различают равномерную, точечную, питтинговую, межкристаллитную коррозию и др.

2. Механизмы коррозии металлических конструкций. Отличие химической и электрохимической коррозии металлов.

Химическая коррозия происходит в газах и парах при высокой температуре и проявляется в окислении металла, а электрохимическая - в результате возникновения гальванических пар.

Химическая коррозия металлических материалов - это самопроизвольный окислительно-восстановительный процесс разрушения металла в окружающей среде без возникновения в системе электрического тока.

Оксидные или солевые соединения, образующиеся в результате коррозионных процессов на металлах, называются поверхностными или защитными пленками

Оксидные пленки на поверхности железа.

Продукты коррозии железа называются ржавчиной

3. Качественные и количественные показатели оценки коррозии.

Интенсивность коррозионных процессов оценивается по показателям коррозии. Различают качественные и количественные показатели коррозии.

К качественным показателям относятся визуальные наблюдения объектов, описание, зарисовка, фотографирование, микроскопические исследования, применение качественных индикаторов продуктов коррозии и т.д.

Количественные показатели коррозии основаны на изменениях физических величин или физико-механических свойств изделий в результате протекания коррозионных процессов. Наиболее часто применяемые показатели коррозии:

Кгл - глубинный - определение средней (или максимальной) глубины коррозионного разрушения материала, мм, в единицу времени , мес, год,

Кh - изменение толщины пленки продуктов коррозии, мм/год

Кm - изменение массы г/(м2ч), или объема см3/(см2ч), образца (отрицательной или положительной) в результате коррозии, отнесенное к единице поверхности и единице времени.

В зависимости от скорости процесса могут быть различные единицы измерений:

К - прочностный показатель коррозии - изменение предела прочности при растяжении (сжатии) за время коррозии , отнесенное к пределу прочности данного материала до начала коррозии.

К = Ду/у •100% .

Все эти показатели относятся к случаю равномерной коррозии и характеризуют собой средние величины.

Скорость коррозии металлических материалов в различных средах определяют обычно по уменьшению массы образца (после удаления продуктов коррозии) на единицу поверхности в единицу времени и выражают в граммах на квадратный метр в час - г/(м2ч).

4. Глубинный показатель коррозии. Коррозионная стойкость металлов по ГОСТ 5.272-50.

Кгл - глубинный - определение средней (или максимальной) глубины коррозионного разрушения материала, мм, в единицу времени , мес, год,

Глубинный показатель коррозии выражают в линейных единицах, отнесенных к единице времени.

При равномерной коррозии металлов:

П = 8,76 К/ г,

где П - глубинный показатель коррозии, мм/год; К - скорость коррозии, г/(м2 ч); г - плотность металла, г/ см3.

Коррозионную стойкость металлических материалов по ГОСТ 5272-50 оценивают по десятибалльной шкале

Группа стойкости	П, мм/год	Балл
I. Совершенно стойкие	0,001	1
II. Весьма стойкие	0,001-0,005	2
	0,005-0,01	3
III. Стойкие	0,01-0,05	4
	0,05-0,1	5
IV. Относительно стойкие	0,1-0,5	6
	0,5-1,0	7
V. Малостойкие	1,0-5,0	8
	5,0-10,0	9
VI. Нестойкие	10,0	10

5. Влияние свойств грунтов на коррозионную стойкость металлов.

Коррозионную активность грунтов определяют пористость и степень аэрации, т.е. проницаемость влаги и воздуха (кислорода) в почву к металлу. Грунты делятся на обладающие окислительными свойствами, т.е. грунты с большой аэрацией, в которых интенсивность коррозии изменяется во времени от больших значений до малых (лессы, пески), и грунты со слабой аэрацией (глины), в которых интенсивность коррозии пропорциональна времени.

В глинах скорость коррозии металлических конструкций из-за сильного торможения катодного процесса в 5-7 раз меньше, коррозия протекает равномернее, чем в песках.

Интенсивность коррозии зависит от влажности грунта и концентрации в нем солей. Слабая коррозия при незначительной влажности почвы объясняется малой скоростью диффузии ионов у анода - поляризацией. При избыточной влажности снижается концентрация почвенного раствора, прекращается доступ кислорода к металлу, и коррозия затухает.

Разные температуры грунта и сооружения на разных глубинах способствуют движению в грунте влаги: насыщенный парами почвенный воздух перемещается в зоне аэрации из более нагретого к менее нагретому слою, где влага конденсируется на поверхности сооружения или конструкции. Различие температур отдельных частей благоприятствует возникновению термогальванических пар с катодными и анодными участками, а колебания влажности и поступление кислорода еще более усиливают коррозию металла. Замерзание влаги в грунте замедляет коррозию.

Концентрация солей влияет на электропроводность раствора, и с увеличением их количества возрастает интенсивность коррозии. При этом следует учесть роль и других факторов в развитии коррозии. Так, на участках с повышенной засоленностью иногда имеет значение не состав солей, а их способность удерживать влагу, которая исключает концентрацию кислорода воздуха, что замедляет коррозию.

Коррозия в зависимости от водородного показателя рН рассматривается в связи со стойкостью оксидных пленок на поверхности металла. По электропроводности грунта или по ее обратной величине - электросопротивлению - можно с достаточной достоверностью судить о его коррозионной активности. При этом соединяются вместе такие важнейшие в почвенной коррозии факторы, как влажность, наличие солей, величина рН.

При низкой электропроводности коррозия замедляется, а при разрыве электрической цепи совсем прекращается, и, наоборот, при высокой электропроводности грунтов коррозия усиливается.

6. Влияние атмосферных факторов на коррозию металлов

Атмосферная коррозия является наиболее распространенным видом коррозии металлов, поскольку примерно 80% всех металлических конструкций эксплуатируется в атмосферных условиях. Механизм коррозии металлов в атмосферных условиях определяется влажностью среды. Влажность является одним из важнейших факторов коррозии металлов. Как правило, скорость коррозии увеличивается с повышением влажности, однако эта зависимость имеет нелинейный характер и не всегда наблюдается. В зависимости от увлажнения поверхности металлических конструкций различают мокрую, влажную и сухую атмосферную коррозию металлов.

1. Мокрая атмосферная коррозия протекает при наличии на поверхности металлической конструкции постоянной пленки воды, образующейся при прямом попадании влаги на металл (осадки, полив водой, эксплуатация при погружении в воду и т.д.).

2. Влажная атмосферная коррозия протекает при наличии на поверхности металла тонкой адсорбционной пленки влаги.

3. Сухая атмосферная коррозия протекает при отсутствии влаги на поверхности металла.

В первых двух случаях механизм коррозии - электрохимический, в третьем случае - это химическая газовая коррозия.

7.Протекторная защита металлов

Суть протекторной защиты металлов от коррозии

Данная антикоррозионная защита подразумевает присоединение к предохраняемой металлической поверхности специального протектора - металла с более электроотрицательными характеристиками. При растворении под действием воздуха такой протектор начинает выполнять свою функцию, которая состоит в предохранении основного изделия от разрушения.

По сути, протекторная защита трубопроводов и иных магистралей от коррозии является одним из видов катодной электрохимической методики.

Электрохимическая протекторная защита - один из наиболее эффективных современных способов предотвращения коррозии металлов в проводящих агрессивных средах, к которым относятся морская вода, почва, подтоварные и пластовые воды, различные технологические среды.

Описываемый способ антикоррозионной обработки оптимален для ситуаций, когда у предприятия нет возможности возвести специальные электрические линии для организации эффективной катодной защиты от электрохимической коррозии либо их строительство признается экономически нецелесообразным. Протектор полностью выполняет свои задачи при условии, что величина переходного сопротивления между средой, окружающей обрабатываемый объект, и этим самым объектом невелика.

Сущность коррозии металлов такова, что менее активный из них при взаимодействии станет присоединять к своим ионам электроны более активного, которые будут производиться активным компонентом системы. В результате происходит сразу два одновременных процесса:

восстановление менее активного металла (он является катодом);

окисление менее активного металла-анода, благодаря чему и происходит антикоррозионная защита газопровода, иной магистральной сети, какой-либо металлоконструкции.

Через определенное время действие протектора заканчивается (из-за утраты контакта с предохраняемым металлом либо при полном растворении "защитника"), после чего потребуется выполнить его замену.

Антикоррозионная защита при помощи протекторов - особенности методики

Применение протекторной защиты от коррозии конструкций из металла в кислых средах не имеет смысла, что обусловлено повышенным темпом саморастворения протектора. Она рекомендуется для использования в нейтральных средах, будь то обычный грунт, речная или морская вода.

По отношению к железу более активными являются следующие металлы - магний, хром, кадмий, цинк и некоторые другие. Теоретически именно их следует применять для защиты конструкции. Но здесь имеется ряд нюансов, которые обуславливают технологическую нецелесообразность использования чистых металлов в качестве "защитников".

Магний в чистом виде, например, характеризуется повышенной скоростью собственного ржавления, на алюминии очень быстро появляется оксидная толстая пленка, а цинк без каких-либо примесей ввиду своей дендритной крупнозернистой структуры имеет свойство растворяться крайне неравномерно. Чтобы нивелировать все эти негативные явления, в чистые металлы, предназначенные для защиты металлоконструкций от коррозии, добавляют легирующие компоненты. Другими словами, антикоррозионная защита, например, газопровода, подземного резервуара в большинстве случаев выполняется при помощи различных сплавов.

Часто используются сплавы на основе магния. В них вводят алюминий (от 5 до 7 процентов) и цинк (от 2 до 5 процентов), а также незначительные количества (буквально сотые либо десятые доли) никеля, свинца, меди. Защита от коррозии магниевыми сплавами применяется тогда, когда конструкция из металла (элементы трубопроводов, газопровода и так далее) функционирует в средах с показателем рН не более 10,5 (обычный грунт, водоемы с пресной или слабосоленой водой).

Такое ограничение связано с тем, что магний сначала очень быстро растворяется, а затем на его поверхности формируются соединения, характеризуемые затрудненным растворением. Стоит сказать отдельно об опасности использования магниевых композиций для защиты от коррозии - они могут стать причиной растрескивания изделий из металла, а также их охрупчивания (водородного).

Для металлоконструкций, установленных в соленой воде, например газопровода, проложенного по морскому дну, рекомендуется использование протекторов на базе цинка, которые содержат:

кадмий (от 0,025 до 0,15 %);

алюминий (не более 0,5 %);

медь, свинец, железо (от 0,001 до 0,005 % в сумме).

Протекторная защита трубопроводов в морской воде цинковыми составами будет гарантированно эффективной и длительной. Если же такие протекторы применять в грунте или пресных водоемах, они практически мгновенно покрываются гидроксидами и оксидами, что сводит на нет все антикоррозионные мероприятия.

А вот в соленой проточной воде, на прибрежном морском шельфе обычно эксплуатируются алюминиевые защитники от коррозии. В них содержится таллий, кадмий, кремний, индий (суммарно до 0,02 %), магний (не более 5 %) и цинк (не более 8 %). Данный состав не дает возможности появляться на алюминии окислам. Протекторная защита из алюминиевых составов используется в тех же условиях, что и из магниевых.

Цинковые протекторы обычно применяются для антикоррозионной защиты тех металлоконструкций, для которых должна быть обеспечена максимальная пожарная и взрывобезопасность (в частности, разнообразных трубопроводов для транспортировки потенциально горючих материалов, например, газопровода). Также цинковые защитные композиции не создают при анодном растворении загрязняющих соединений. За счет этого им практически нет замены, когда речь идет о защите от коррозии трубопроводов, по которым перемещают нефть, а также нефтеналивных и грузовых судов и танкеров.

8. Катодная (активная) защита металлических конструкций.

Катодная защита -- это электрохимическая защита от коррозии, основанная на наложении отрицательного потенциала на защищаемую деталь. Катодную защиту, как правило, совмещают с нанесением защитных покрытий.

Сдвиг потенциала защищаемого металлического объекта осуществляется с помощью внешнего источника постоянного тока (станции катодной защиты) или же соединением с протекторным анодом, изготовленным из металла, более электроотрицательного относительно объекта. При этом поверхность защищаемого образца (детали конструкции) становится эквипотенциальной (поверхностями, во всех точках которых потенциал имеет одно и то же значение.) и на всех её участках протекает только катодный процесс. Обусловливающий коррозию анодный процесс перенесён на вспомогательные электроды. Отсюда названия -- жертвенный анод, жертвенный электрод. Если, однако, сдвиг потенциала в отрицательную сторону превысит определённое значение, возможна так называемая перезащита, связанная с выделением водорода, изменением состава приэлектродного слоя и другими явлениями, что может привести к деградации защитного (изоляционного) покрытия и протеканию процесса стресс-коррозии катодно защищаемого объекта.

9. Методы защиты конструкций от почвенной коррозии.

Почвенная коррозия - процесс разрушения металлов, который происходит под воздействием агрессивной окружающей среды.

Для того чтобы защитить металлические конструкции от возникновения и развития почвенной коррозии применяются несколько методов, которые могут быть активными (электрохимическими) и пассивными (избегание воздействия окружающей среды). Для высокоррозионных грунтов используется комплексная защита - защитное покрытие, изоляция, специальная искусственная среда, электрохимическая защита, специализированные методы укладки металлической конструкции.

Одним из самых широко используемых методов защиты от почвенной коррозии является применение изоляционных покрытий, к которым применяются особые технические требования. Защитные покрытия могут быть полимерного или мастичного типа, а главным его заданием является полная изоляция конструкции от влияния окружающих факторов. Наиболее качественным защитным покрытием считается поливинилхлоридное, которое имеет самый длительный срок эксплуатации, а самым некачественным покрытием является цементное.

Для защиты от почвенной коррозии металлоконструкций большой протяженности используют метод создания искусственной атмосферы. Для этого необходимо создать грунт с однородным составом или понизить уровень его агрессивности на определенных участках. Такой метод является достаточно затратным и сложным, так как требует применения большого количества различных видов техники, строительных материалов и рабочей силы.

Часто для защиты от почвенной коррозии применяют метод катодной защиты, при которой металлоконструкции придают определенный электрический потенциал отрицательного свойства, затрудняющий процесс термодинамики окисления металла. Для этого применяют специальные катодные или протекторные установки. Катодная защита заключается в создании катодной поляризации с использованием внешнего источника подачи тока, в качестве которого могут использоваться батареи, выпрямители и генераторы постоянного тока. Для этого на всей протяженности металлоконструкции необходимо установить специализированные станции (установки) для катодной защиты. Протекторная защита представляет собой присоединение к конструкции металлических электродов, которые имеют большую электроотрицательность для данной конкретной среды. Обычно в качестве металлических протекторов используют электроды, выполненные из алюминия и его сплавов, а также магния и цинка.

Для того чтобы защитить металлическую конструкцию от насыщенного влагой грунта используют специальные методы прокладки, которые заключаются в применении специальных коллекторов с неметаллическими подкладками и защитных кожухов в виде железобетонных плит или металла.

10. Способы защиты металлических конструкций от атмосферной коррозии.

Строительные материалы, изделия и конструкции при эксплуатации непрерывно подвергаются воздействию окружающей среды. Вредное воздействие атмосферных осадков, газов, пыли, содержащихся в воздухе, попеременное увлажнение и высыхание, резкие перепады температур, сильные морозы, солнечный нагрев, процессы выветривания - все эти факторы сокращают сроки службы строительных материалов, изделий, конструкций, ухудшают их эксплуатационные и декоративные свойства.

Коррозионные процессы могут различаться по условиям протекания.

А.Газовая коррозия

Б. Атмосферная коррозия - коррозия в воздушной атмосфере, обычно во влажной среде или в среде другого влажного газа. В отсутствие влаги атмосферная коррозия переходит в газовую.

В. Жидкостная коррозия

Г. Почвенная коррозия

Д. Коррозия под влиянием внешних и блуждающих токов.

Е. Коррозия при трении или под напряжением

Ж. Структурная коррозия З. Контактная коррозия

Могут быть выделены и другие виды коррозии.

Влияние атмосферных факторов на коррозионную стойкость металлов

Атмосферная коррозия является наиболее распространенным видом коррозии металлов, поскольку примерно 80% всех металлических конструкций эксплуатируется в атмосферных условиях. Механизм коррозии металлов в атмосферных условиях определяется влажностью среды. Влажность является одним из важнейших факторов коррозии металлов. Как правило, скорость коррозии увеличивается с повышением влажности, однако эта зависимость имеет нелинейный характер и не всегда наблюдается. В зависимости от увлажнения поверхности металлических конструкций различают мокрую, влажную и сухую атмосферную коррозию металлов.

1. Мокрая атмосферная коррозия протекает при наличии на поверхности металлической конструкции постоянной пленки воды, образующейся при прямом попадании влаги на металл (осадки, полив водой, эксплуатация при погружении в воду и т.д.).

2. Влажная атмосферная коррозия протекает при наличии на поверхности металла тонкой адсорбционной пленки влаги.

3. Сухая атмосферная коррозия протекает при отсутствии влаги на поверхности металла.

В первых двух случаях механизм коррозии - электрохимический, в третьем случае - это химическая газовая коррозия.

Развитие коррозии в атмосферных условиях

При уменьшении толщины слоя влаги на поверхности металла в случае мокрой коррозии скорость электрохимической реакции увеличивается вследствие облегчения доступа кислорода к металлу. При дальнейшем уменьшении толщины пленки на поверхности металла образуется труднопроницаемая пленка продуктов коррозии, что приводит к снижению скорости коррозионного процесса (влажная атмосферная коррозия). При отсутствии влажностной пленки на поверхности металла (сухая атмосферная коррозия) скорость коррозионного процесса еще больше снижается.

Большое значение для процессов атмосферной коррозии имеет географическое расположение объектов. В условиях континентального климата коррозия металлов протекает медленнее, чем во влажном климате приморских районов или во влажных субтропиках.

Способы защиты металлов от коррозионных процессов базируются на ряде методов:

* применение электрохимической защиты, которая позволяет снизить степень коррозионных процессов благодаря законам гальваники;

* уменьшение агрессивной реакции производственной среды;

* повышение химического сопротивления металлических материалов;

* изолирование поверхности металлических конструкций от негативного атмосферного воздействия.

Электрохимическая защита

Первые два метода применимы только в период эксплуатации металлоконструкций или металлоизделий. Использование этих способов никак не связано с выпуском металлопродукции, равно как и с их первоначальным производством. К таковым методам относят:

* катодную защиту металлоизделий;

* метод протекторов;

* использование ингибиторов, которые внедряются в агрессивную среду, соприкасающуюся с металлоконструкциями, что снижает скорость коррозионных процессов.

Первые два метода из этой группы основаны на протекании тока с целью достижения защитного потенциала на металлоконструкциях. Эффективность именно первой группы способов сохранения металлов состоит в возможности создать новые режимы защиты металлоконструкций. К примеру, катодная защита используется для уменьшения коррозионных процессов на корпусах морских судов, на отдельных участках трубопроводных магистралей с учётом агрессивности почвы. Использование ингибиторов целесообразно при прокачивании различных сортов нефти через трубы или транспортировке агрессивных химических жидкостей (кислот) в металлических цистернах.

Роль ингибиторов состоит в замедлении химической реакции окисления за счёт создания на поверхности металлических конструкций адсорбционной плёнки. Это тормозит электродные процессы, в результате чего изменяются электрохимические параметры металлов.

Плёночная защита

Отличие первых двух методов защиты от последующих состоит в том, что последние могут быть применены ещё на стадии проектирования и изготовления металлических конструкций, деталей приборов, т. е. до начала интенсивной эксплуатации. Под этим чаще всего понимается нанесение различных защитных покрытий, к которым относят:

* лужение металлов;

* оцинковку;

* покрытие лакокрасочными материалами и т.д.

Из всех способов защиты наиболее доступным и простым является нанесение защитных лакокрасочных покрытий. Современные лакокрасочные покрытия могут предложить эффективную защиту от коррозионных процессов, поскольку способны выполнять не только защитные функции, но и играть роль пассиватора (ингибитора) или даже протектора, правда, в зависимости от состава основы лакокрасочных покрытий.

* Защитная функция лакокрасочных покрытий обусловлена созданием механического слоя, который ограничивает паро-, газо- и водопроницаемость для агрессивной среды. Однако появление малейших микротрещин вследствие невысокой термо- и морозостойкости такого покрытия приводит к его дальнейшему разрушению и возникновению местных подплёночных коррозионных процессов.

* Пассивация, по сути, то же, что и добавление ингибиторов, только в этом случае компоненты лакокрасочного покрытия вступают во взаимодействие с металлоизделием. К этой группе относят фосфатирующие покрытия, имеющие в своём составе ортофосфорную кислоту.

* Внесение порошковых металлов в состав лакокрасочных покрытий обуславливает протекторную защиту металлоизделий за счёт создания донорских электронных пар с защищаемым металлом. В качестве добавок используются алюминий, цинк и магний. Постепенное растворение порошка под влиянием агрессивной среды защищает металлоизделие от коррозии.

11. Виды защитных изолирующих покрытий. Примеры.

Защитные покрытия используют в противокоррозионной практике для изоляции металла от агрессивной среды. Чтобы обеспечить хорошую защиту от коррозии покрытие должно быть сплошным, иметь хорошую адгезию с основным металлом (сцепление), быть непроницаемым для агрессивной среды, равномерно распределятся по поверхности, обладать высокой износостойкостью, жаростойкостью.

Защитные покрытия подразделяют на металлические и неметаллические.

Защита от коррозии металлическими покрытиями осуществляется следующими способами:

- металлизация напылением - распыление на обрабатываемую поверхность расплавленного металла при помощи воздушной струи;

- горячий способ нанесения защитного покрытия - окунание изделия в ванну с расплавленным металлом;

- гальванический (электролитический) - осаждение металла или сплава из водных растворов их солей на поверхность изделия, постоянно пропуская через электролит электрический ток;

- плакирование (термомеханический) - нанесение на поверхность основного металла - другого, более устойчивого к агрессивной среде, применяя литье, совместную прокатку или деформированное плакирование (прессование, ковка);

- диффузионный - суть способа заключается в проникновении металлопокрытия в поверхностный слой основного металла под воздействием высокой температуры.

По способу защиты металлические защитные покрытия разделяют на катодные и анодные. Характер такой защиты от коррозии обусловлен тем, что металлопокрытие, по отношению к покрываемому изделию, может быть анодом или катодом (зависит от электрохимической характеристики металла покрытия).

Неметаллические защитные покрытия применяются для изоляции металлических изделий, их защиты от воздействия внешней среды (влаги), придания красивого вида.

Неметаллические защитные покрытия принято разделять на лакокрасочные, полимерные, покрытия резинами, смазками, силикатными эмалями, пастами.

12. Ингибиторы коррозии. Способы применения. Руслан

2. Коррозия и защита природных и искусственных каменных материалов

1. Факторы воздействия окружающей среды на каменные материалы.

Факторы, влияющие на коррозионные процессы, можно разделить на две группы: физические и химические.

I. Физические факторы:

1. Температурные колебания среды.

2. Влажностные колебания среды.

3. Кристаллизация солей в порах и капиллярах.

4. Подсос агрессивной среды внутрь бетона за счет осмотического давления.

II. К химическим факторам коррозии каменных и бетонных материалов относятся:

1. Химическое воздействие агрессивных сред: водной, газообразной, органических веществ.

2. Химическая природа составляющих бетонов.

Причины и виды коррозии каменных строительных материалов.

Все причины коррозии строительных камней можно разделить на две большие группы:

Внешние причины и факторы коррозии и внутренние причины коррозии и разрушения.

I. К внешним причинам относятся:

1. Изменения температуры (сезонные и дневные колебания).

2. Процессы увлажнения и высыхания, осадки.

3. Механические воздействия (выветривание, удары волн в гидротехнических сооружениях, истирание, динамические нагрузки).

4. Химическое воздействие внешней среды (газовый состав воздушной среды, водные растворы электролитов, влага, органические соединения).

Воздействие газов и жидкостей: газовая и жидкостная коррозия в каменных строительных материалах протекает под воздействием жидких и газообразных агрессивных сред, содержащих следующие основные катионы и анионы:

при газовой коррозии: CO2, H2S, NH4+ и др.;

при жидкостной коррозии: Mg2+; Na+; Al3+; H+; Cu2+;

Fe2+; Fe3+; OH-; SO42-; CO32-; HCO3-.

5. Воздействие биофактора: биологическая коррозия (коррозия под воздействием бактерий, микроорганизмов, плесневых грибов и других биологических разрушителей).

II. Внутренние причины коррозии обусловлены химическим строением материала, его природой и составом.

К ним относятся:

1. Водопроницаемость материалов строительных изделий и конструкций.

2. Взаимодействие щелочей цемента с кремнеземом заполнителя в бетонах и цементных камнях.

3. Внутренние напряжения (структурная коррозия).

4. Изменения объема из-за различия температурного расширения цемента и наполнителя.

5. Коррозия за счет наличия в составе бетонов ПАВ, пластифицирующих добавок и пр.

По механизму протекания различают физическую, химическую и биологическую коррозию. Вид коррозийных процессов зависит от местоположения конструкции и характера среды. Так, подземные конструкции могут подвергаться всем видам коррозии, надземные - преимущественно физической, реже - химической.

Наибольшее влияние на износ конструкций оказывает водная среда. Поскольку большинство конструкций зданий (фундаменты, стены, перегородки, перекрытия и элементы крыш) выполнены из искусственных материалов с пористо-капиллярной структурой, при контакте с водой они интенсивно увлажняются.

Классификация коррозионных процессов

цементных растворов и бетонов

Первый вид коррозии включает процессы, возникающие в бетоне при действии жидких сред, способных растворять компоненты цементного камня. Составные части цементного камня растворяются и выносятся из структуры бетона. Особенно интенсивно эти процессы происходят при фильтрации воды через толщу бетона.

Второй вид коррозии включает процессы, при которых происходят химические взаимодействия, - обменные реакции между компонентами цементного камня и агрессивной среды, образующиеся продукты реакции или легко растворимы и выносятся из структуры в результате диффузии влаги, или отлагаются в виде аморфной массы.

Третий вид коррозии включает процессы, при развитии которых происходит накопление и кристаллизация малорастворимых продуктов реакции с увеличением объема твердой фазы в порах бетона. Кристаллизация этих продуктов создает внутренние напряжения, которые приводят к повреждению структуры бетона.

Механизмы разрушения строительных камней.

Обеспечение долговечности строительных материалов и конструкций является одной из основных проблем повышения эффективности строительства. Многообразие номенклатуры материалов и условий их эксплуатации в промышленных зданиях, транспортных сооружениях и других объектах, в том числе и специального строительства, требует детального и глубокого изучения химической стойкости этих материалов под воздействием твёрдых, газообразных или жидких агрессивных сред. Знание причин и механизма разрушения различных материалов при эксплуатации их в агрессивных средах даёт возможность грамотно и эффективно осуществлять меры защиты и повышения долговечности строительных конструкций и изделий.

Основными средами, действующими на строительные материалы, являются воздух и вода. Содержащийся в воздухе углекислый газ часто агрессивно воздействует на материалы, а водяные пары воздуха участвуют во всех коррозионных процессах, конденсируясь на поверхности материала в виде капельно-жидкой влаги.

Особо агрессивным является воздух в некоторых промышленных районах, так как содержит многочисленные газы и пары, выделяемые в процессе производства.

Наиболее распространенными и в то же время наиболее агрессивными являются хлор и хлористый водород, окислы азота, сернистый газ, сероводород, аммиак. Все газы, за исключением аммиака и кислорода, являются кислыми или кислотообразующими. Образование из них кислот происходит только при наличии в воздухе или на поверхности конструкций капельно-жидкой влаги (тумана или конденсата). Поэтому повышенная влажность воздуха, особенно в сочетании с высокой загазованностью среды, является фактором, усиливающим протекание коррозионных процессов на поверхности строительных материалов.

Степень влагонасыщения материала весьма серьезно влияет на интенсивность и скорость развития коррозии. При относительно низкой влажности (до 60%) кислые газы практически не действуют разрушающе на бетон, а в отдельных случаях даже уплотняют его в поверхностном слое. Металл в сухом воздухе также практически не коррозирует. Увеличение влажности воздуха до 69-75% увеличивает агрессивность газовых сред, а при относительной влажности воздуха от 75 до 95% скорость коррозии строительных материалов под воздействием различных газов резко возрастает.

При наличии в воздухе гигроскопической пыли величина опасной, с точки зрения процессов коррозии, влажности снижается на 10-20%. Адсорбируя влагу из воздуха и осаждаясь на поверхности конструкций, такая пыль создает у поверхности зону повышенной влажности, а при наличии кислых газов - и зону повышенного кислотосодержания.

Действие газа на пористые материалы (бетон, кирпич, древесину и т.п.) отмечается не только на поверхности, что характерно для металла и плотных камней, но и в более глубоких слоях. В пористых материалах газы могут поглощаться не только химическим, но и адсорбционным путем. При увеличении влажности материала поглощенный адсорбционным путем газ образует раствор кислоты, который, взаимодействуя с составляющими цементного камня или кирпича, приводит увлажненный материал к быстрому разрушению.

Агрессивные свойства воды определяет степень ее минерализации, жесткости, а также кислотности или щелочности. Обычно вода рек и озер имеет слабощелочную реакцию. Общее содержание солей в речных водах не превышает 0,3-0,5 г/л. Грунтовые и подземные естественные воды обычно содержат минеральные соли и другие примеси.

Промышленные стоки или воды могут содержать самые различные примеси, в том числе кислоты и щелочи. Следует отметить, что и совершенно чистая, неминерализованная или мягкая вода может быть агрессивной в отношении пористых цементных бетонов, вызывая выщелачивание извести и других растворимых солей.

Кроме химического взаимодействия, вода разрушающе действует на пористые камни, бетоны и древесину, попадая в микрополости и растрескивая структурные составляющие материалов.

Разрушения, вызываемые действием растворенных в воде кислот, щелочей или солей, весьма интенсивны и разнообразны. Характер и причины этих разрушений применительно к отдельным строительным материалам будут рассмотрены далее.

Кислоты являются наиболее агрессивными по отношению к металлам, обычным бетонам на щелочной основе, силикатному кирпичу и осадочным горным породам (известнякам, доломитам и т.п.). Керамические изделия, кирпич и бетоны на жидком стекле хорошо сопротивляются действию кислот, но быстро разрушаются щелочами.

Агрессивность кислот определяется их природой, концентрацией, рН водных растворов, наличием окислительных свойств и температурой среды. Разрушительное действие кислот и кислых газов определяется также растворимостью образуемых продуктов коррозии при взаимодействии кислот с металлами или бетонами.

Концентрированные растворы щелочей, особенно при нагреве, разрушающе действуют на некоторые металлы, камни и бетоны. Причина разрушения объясняется тем, что в их состав входят кислые включения в виде кремнезема, а разложение их щелочами приводит к образованию трещин и потере прочности.

Действие на металлы, бетоны, керамику и пластмассы различных солей менее агрессивно, чем кислот. Разрушающее действие растворов солей чаще всего определяется их способностью взаимодействовать с водой (подвергаться гидролизу) и образовывать водородные (кислые) или гидроксильные (щелочные) ионы. В дальнейшем разрушение материала идет так же, как при действии кислот или щелочей.

Действие органических веществ -- сахаров, масел и растворителей -- на отдельные материалы своеобразно. Для цементных бетонов агрессивными считаются растворы сахара, фруктовые соки и т.п. При взаимодействии их с известью цементного камня могут образовываться растворимые сахариты кальция. По отношению к цементному бетону весьма агрессивными являются также многие смазочные и растительные окисляющиеся масла. При этом степень разрушения тем больше, чем меньше плотность бетона.

4. Химическая и физическая коррозия строительных каменных материалов.

Классификация коррозионных процессов каменных материалов

По механизму протекания различают физическую, химическую и биологическую коррозию. Вид коррозийных процессов зависит от местоположения конструкции и характера среды. Так, подземные конструкции могут подвергаться всем видам коррозии, надземные - преимущественно физической, реже - химической.

Наибольшее влияние на износ конструкций оказывает водная среда. Поскольку большинство конструкций зданий (фундаменты, стены, перегородки, перекрытия и элементы крыш) выполнены из искусственных материалов с пористо-капиллярной структурой, при контакте с водой они интенсивно увлажняются.

Влияние влаги на коррозионные процессы

В зависимости от вида связи с материалом различают химически связанную, адсорбционно-связанную, капиллярную и свободную влагу. Последняя заполняет крупные пустоты и поры материала и удерживается в них гидростатическими силами. Такая влага легко удаляется из материала конструкции при высушивании.

В крупных порах и пустотах вода замерзает при температуре ниже 0°C, так как в ней растворены вещества, понижающие температуру замерзания. Влияние влаги на процесс разрушения конструкций неодинаковое. В одних случаях она как поверхностно-активное вещество ускоряет разрушение, в других, являясь хорошим растворителем, действует в качестве химически активной агрессивной среды. Наличие на поверхности и в теле материалов пор, пустот, капилляров и микротрещин способствует увеличению площади их удельной поверхности, что повышает возможность контакта конструкции со всеми видами влаги. Смачивание материала сопровождается физическими процессами, вызывающими напряжение.

Воздействие влаги на коррозионный процесс

Капиллярный подсос растворов солей и минеральных грунтовых вод является одной из первостепенных причин накопления солей в порах материалов, что приводит при определенных условиях к образованию трещин и отслоений. Молекулы воды обладают дипольными моментами, поэтому они ориентируются в зоне действия силовых полей, образование которых связано с развитием микротрещин или дефектов кристаллических структур. Дипольная ориентация воды в адсорбционном слое повышает ее плотность и вязкость. В результате она приобретает упругость, близкую к упругости материала конструкции. По мере сужения микротрещин упругость воды повышается, в результате чего усиливается ее расклинивающее действие. Возрастание внутренних напряжений, вызванных расклинивающим действием влаги, приводит к значительному снижению прочности смоченного материала. Эти напряжения способствуют снижению давления жидкости в капиллярах и возникновению напряжений сжатия и изгиба в материале стенок капилляра. В условиях эксплуатации взаимодействие сил имеет более сложный характер, так как капилляры связаны между собой.

Коррозия конструкций очистных сооружений

-разрушение защитного слоя бетона

-оголение и коррозия арматуры

-разрушение оголовка

-радиальные и кольцевые трещины

Совместное влияние температуры и влаги

Сильному разрушению материалов способствует одновременное воздействие отрицательных температур и влаги. Замерзающая в порах и капиллярах вода увеличивается в объеме, вызывая значительные напряжения в материале конструкции. При естественном увлажнении в условиях эксплуатации вода в крупных порах и капиллярах поднимается на меньшую высоту, чем в мелких. Кроме того, из крупных пор она отсасывается в смежные мелкие, так как сила капиллярного отсоса в них большая. При замерзании воды свободные крупные поры служат резервным объемом для компенсации ее расширения в мелких порах и капиллярах. В связи с этим крупнопористые материалы более морозостойки. При замораживании материала, поры которого полностью заполнены водой, могут возникнуть значительные напряжения, во много раз превосходящие прочность наиболее стойких материалов.

Влияние попеременного увлажнения и высыхания

На долговечность конструкций, кроме упомянутых факторов, влияет также попеременное увлажнение и высыхание материала даже при отсутствии отрицательных температур. При высыхании влага из конструкции испаряется, сначала из крупных, а затем из более мелких пор капилляров. В абсолютно сухом воздухе свободная капиллярная и адсорбционно-связанная вода в течение некоторого времени может полностью испариться из тела конструкции. При этом на конструкцию перестают действовать расклинивающие силы и, как следствие, в материале возникают значительные напряжения усадки.

С увеличением относительной влажности окружающей воздушной среды материал вновь увлажняется, трещины раскрываются. Скорость разрушения каменных конструкций под действием напряжений, усадки и набухания зависит от интенсивности увлажнения и высыхания.

Коррозия искусственных каменных материалов

Одной из причин разрушения увлажненного каменного материала является осмотическое давление в порах конструкций. В различных порах и капиллярах вода образует слабые растворы неодинаковой концентрации. В материалах каменных конструкций всегда имеются расположенные рядом поры с растворами разной концентрации, разделенные стенками, проницаемыми для воды и непроницаемыми для растворенного в ней вещества. Растворы в порах стремятся выровнять концентрацию, для чего влага проходит через материал, разделяющий поры, из раствора меньшей концентрации в раствор большей концентрации. При этом, если раствор, имеющий большую концентрацию, находится в замкнутом объеме, в нем может возникнуть большое осмотическое давление.

В воде, присутствующей в порах и капиллярах каменных конструкций, находятся в растворенном состоянии различные вещества, составляющие материал конструкции. Наличие в ней гидроксидов кальция, натрия, калия и других металлов обусловливает ее высокую щелочность (рН =12-13).

Усиленный конденсат влаги образуется весной или осенью, когда температура наружного воздуха имеет знакопеременные значения.

Интенсивность коррозии каменных конструкций зависит от структуры материала, степени и вида его увлажнения, а также от химического состава водной среды. Так, дождевая вода смывает со стен адсорбированные частицы и различные агрессивные вещества; влага - конденсат - вступает с такими веществами во взаимодействие, образуя растворы кислот и щелочей, которые способствуют разрушению материала каменных конструкций по типу химической коррозии. Разница между температурой воздуха и температурой ограждающих конструкций называется температурным гистерезисом. Контакт воздушной среды с участками конструкций, имеющими более низкую температуру по сравнению с температурой наружного воздуха, приводит к выпадению конденсата на этих участках, особенно в углах зданий.

Большие напряжения возникают в мелкопористых материалах, контактирующих с крупнопористыми, при замерзании в них влаги.

При эксплуатации зданий следует обращать внимание на состояние тех конструктивных элементов, которые выполнены из каменных, бетонных или железобетонных материалов, имеющих разную плотность. Так, в конструкциях из песчаника и известняка в месте их контакта наблюдается ускоренное разрушение песчаника. Объясняется это тем, что известняк как материал с более крупными порами быстрее впитывает и отдает влагу плотному песчанику, имеющему мелкие поры. При этом количества влаги на границе контакта этих двух материалов достаточно для того, чтобы все поры песчаника были полностью заполнены водой. Влага, поступающая из пор известняка, содержит растворенные соли, которые при ее испарении кристаллизуются и создают большие поровые напряжения. Значительно большие напряжения возникают в мелкопористых материалах, контактирующих с крупнопористыми, при замерзании в них влаги.

Причиной разрушения каменных конструкций является также устройство на наружных стенах фасадов плотных штукатурок.

Кирпичные стены содержат 0,05-0,53 % влаги (по массе). Ее перемещение в стенах происходит тем интенсивнее, чем больше перепад температур, при этом влага движется в сторону низких температур. Наличие плотной штукатурки со стороны фасада приводит к скоплению влаги между штукатурным слоем и наружной гранью кирпичной кладки. При отрицательных температурах она замерзает, возникают напряжения, разрушающие штукатурку и поверхностный слой каменной кладки. Кроме того, плотная цементная штукатурка создает значительные напряжения из-за разности линейных температурных расширений: линейные расширения кирпичной кладки примерно в два раза меньше линейных расширений цементного раствора; для кладки из шлакобетонных камней эта разница еще больше. При этом надо иметь в виду, что температура штукатурного слоя фасада всегда выше температуры слоя кладки, находящейся под штукатуркой.

5. Газовая и жидкостная коррозия каменных материалов.

Причины и факторы коррозии каменных строительных материалов и изделий

Все причины коррозии строительных камней можно разделить на две большие группы:

I. Внешние причины и факторы коррозии.

II. Внутренние причины коррозии и разрушения.

I. К внешним причинам относятся:

1. Изменения температуры (сезонные и дневные колебания).

2. Процессы увлажнения и высыхания, осадки.

3. Механические воздействия (выветривание, удары волн в гидротехнических сооружениях, истирание, динамические нагрузки).

4. Химическое воздействие внешней среды (газовый состав воздушной среды, водные растворы электролитов, влага, органические соединения).

К внешним причинам также относятся:

Воздействие газов и жидкостей: газовая и жидкостная коррозия в каменных строительных материалах протекает под воздействием жидких и газообразных агрессивных сред, содержащих следующие основные катионы и анионы:

при газовой коррозии: CO2, H2S, NH4+ и др.;

при жидкостной коррозии: Mg2+; Na+; Al3+; H+; Cu2+;

Fe2+; Fe3+; OH-; SO42-; CO32-; HCO3-.

6.Сульфатная коррозия бетона.

Сульфаты встречаются в большинстве природных вод. В пресных озерах и реках содержание сульфат-ионов SO42- в среднем составляет до 60 мг/л.

В минерализованных грунтовых водах оно значительно выше. В морской воде при солености 33-35 г/л количество SO42- составляет 2500-2700 мг/л.

Сульфаты, находящиеся в воде, соприкасающейся с цементным камнем, способны, с одной стороны, в значительной степени повысить растворимость составных частей цементного камня и этим ускорить развитие коррозии первого вида, с другой стороны - вызвать развитие обменных реакций с замещением катиона в сульфате на ион кальция из цементного камня, т. е. инициировать коррозию второго вида. Действие сульфатов может также являться причиной развития процессов коррозии третьего вида.

7. Способы повышения коррозионной стойкости каменных материалов.

Cтойкость каменных материалов против коррозии тем выше, чем они плотнее (меньше пористость) и меньше их растворимость. Поэтому все мероприятия по защите каменных материалов от коррозии направлены на предохранение их от воздействия воды и на повышение поверхностной плотности. Эти меры могут быть конструктивными и физико-химическими.

1) Конструктивная защита от увлажнения осуществляется путем устройства надлежащих стоков воды, придания каменным материалам гладкой полированной поверхности и такой формы, при которых вода, попадающая на них, не задерживается и не проникает внутрь материала.

2) физико-химические мероприятия заключаются в создании на лицевой поверхности камня плотного водонепроницаемого слоя и/или ее гидрофобизации. Одним из способов повышения поверхностной плотности является флюатирование, при котором карбонатные породы пропитывают солями кремнефтористоводородной кислоты (флю-атами), например флюатами магния.

В результате происходящей реакции:

2СаС03 + MgSiF6 = 2CaF2 + MgF2 + Si02 + 2C021

в поверхностных порах камня выделяются практически не растворимые в воде фториды кальция, магния и кремнезем. Это уменьшает пористость и водопоглощение поверхностного слоя и несколько препятствует загрязнению облицовки пылью. Некарбонатные пористые породы предварительно обрабатывают водными растворами кальциевых солей, например хлористым кальцием, а после просушки -- содой, а затем флюатом.

Уплотнить поверхность камня можно также последовательной пропиткой растворимым стеклом и хлористым кальцием, в результате взаимодействия которых образуются нерастворимые силикат кальция и кремнекислота, закрывающие поры. Эта же цель достигается при последовательной пропитке поверхности камня спиртовым раствором калийного мыла и уксусно-кислого алюминия. В этом случае на поверхности камня образуется нерастворимая пленка соли жирной кислоты.

Гидрофобизация, т. е. пропитка пористого каменного материала гиброфобными (водоотталкивающими) составами, препятствующими проникновению влаги в материал, также повышает их стойкость против выветривания. Хорошие результаты дает пропитка кремний-органическими жидкостями и полимерными материалами, а также растворами парафина, стеарина или металлических мыл (алюминиевого, цинкового и др.) в легкоиспаряющихся органических растворителях (бензине, лаковом керосине и т. д.).