Защита металлических изделий и конструкций

От коррозии

 

Необходимость осуществления мероприятий по защите металлических изделий и конструкций от коррозии диктуется тем обстоятельством, что потери от коррозии приносят чрезвычайно большой ущерб. По имеющимся данным, около 10 % ежегодной добычи металла расходуется на покрытие безвозвратных потерь вследствие коррозии и последующего распыления. Основной ущерб от коррозии металла связан не только с потерей больших количеств металла, но и с порчей или выходом из строя самих металлических конструкций, так как вследствие коррозии они теряют необходимую прочность, пластичность, герметичность, тепло- и электропроводность, отражательную способность и другие необходимые качества. К потерям, которые терпит народное хозяйство от коррозии, должны быть отнесены также громадные затраты на всякого рода защитные антикоррозионные мероприятия, ущерб от ухудшения качества выпускаемой продукции, выход из строя оборудования, аварий в производстве и так далее.

Защита от коррозии является одной из важнейших проблем, имеющей большое значение для народного хозяйства. Проблема защиты металлов от коррозии возникла в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее – покрытием другими металлами и, прежде всего, легкоплавким оловом. В трудах древнегреческого историка Геродота (V век до нашей эры) уже имеется упоминание о применении олова для защиты железа от коррозии

Задачей химиков была и остается разработка эффективных мер, препятствующих или замедляющих протекание коррозии. А поскольку коррозия металлов осуществляется в соответствии с законами природы и ее нельзя полностью устранить, то поэтому ее можно лишь замедлить.

В зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются различные методы защиты. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью в данном конкретном случае, а также экономической и технической целесообразностью.

В строительстве, как правило, используется обычная сталь, которую приходится защищать от коррозии уже в изделиях, руководствуясь санитарными нормами и правилами (СНиП).

Различают методы защиты от коррозии конструкций, работающих в атмосферных условиях, и конструкций, находящихся в почвенной среде, т. е. в заглубленных сооружениях.

 

2.4.1. Методы защиты металлических конструкций от

атмосферной коррозии

Защиту металлических строительных конструкций осуществляют двумя методами: 1) снижением агрессивности среды; 2) изоляцией металла от среды.

Снижение агрессивного воздействия среды эффективно при условии, что среда замкнута и изолирована. Метод заключается в удалении агрессивных компонентов из воздуха помещений путем вентиляции или удаления из воды в теплоэнергетических установках кислорода как агрессивного фактора путем ее аэрации и прекращения подпитки неаэрированной водой.

Изоляция металла от среды весьма распространена не только в атмосферных условиях, но и в заглубленных сооружениях. Важно, чтобы при ее осуществлении слой изоляции был толстым и прочным, кислотощелочестойким. Однако выполнение такой изоляции дорого и сложно, поэтому все чаще используются полимерные и неорганические (силикатные) покрытия. Самые распространенные из них лакокрасочные; более 80 % металлических конструкций защищается именно такими покрытиями. Лаки и краски, хотя частично и проницаемы для воздуха и жидкостей, но широко применяются, потому что их легко наносить и они придают конструкциям красивый вид.

В последнее время в заводских условиях при изготовлении металлических конструкций стали создавать металлическую подоснову под окрасочный состав из алюминия, цинка и других металлов, наносимых газопламенным способом. Это увеличивает длительность службы покрытия и металла в 2 раза.

Широкое распространение получили также грунтовки на основе фенольных смол, фосфатирующие и эпоксидные грунтовки. Антикоррозионные свойства грунтовок усиливаются введением в них таких пассивирующих пигментов, как, например, свинцовый сурик, цинковая пыль и др.

Для нанесения любого защитного покрытия металл зачищается до блеска, и не позднее чем через 4 ч на него наносится грунтовка, потом шпатлевка, затем краска, эмаль и сверху лак (с перерывами для высыхания каждого слоя). Для покрытия верхних слоев применяют ПВХ-эмали на основе сополимера хлорвинила с винилиденхлоридом, эпоксидные эмали. Конструкции, работающие при высокой влажности, защищаются эмалями на основе акриловой смолы.

Силикатные покрытия. Для защиты металлов от коррозии используют стекловидные и фарфоровые эмали, коэффициент теплового расширения которых должен быть близок к таковому для покрываемых металлов. Эмалирование осуществляют нанесением на поверхность изделий водной суспензии или сухим напудриванием. Сначала на очищенную поверхность наносят грунтовочный слой и обжигают его в печи. Затем наносят слой покровной эмали и повторяют обжиг. Распространены также стекловидные эмали – прозрачные или загашенные. Их компонентами являются оксиды: SiO₂ (основная масса), B₂O₃, Na₂O, PbO. Кроме того, в состав вводят вспомогательные материалы: окислители органических примесей, оксиды, способствующие сцеплению эмали с эмалируемой поверхностью, красители и др. Эмалирующий материал получают сплавлением исходных компонентов, измельчением в порошок и добавлением 6–10 % глины. Эмалевые покрытия наносят на сталь, чугун, медь, латунь и алюминий. Эмали обладают высокими защитными свойствами, которые обусловлены их непроницаемостью для воды и воздуха (газов) даже при длительном контакте. Их важным качеством является высокая стойкость при повышенных температурах.

К основным недостаткам эмалевых покрытий относят чувствительность к механическим и термическим ударам. При длительной эксплуатации на поверхности эмалевых покрытий может появиться сетка трещин, которая обеспечивает доступ влаги и воздуха к металлу, вследствие чего начинается коррозия.

Цементные покрытия. Для защиты чугунных и стальных водяных труб от коррозии используют цементные покрытия. Поскольку коэффициенты теплового расширения портландцемента и стали близки, то он довольно широко применяется для этих целей. Недостаток портландцементных покрытий тот же, что и эмалевых, – высокая чувствительность к механическим ударам.

Покрытие металлами. Широко распространенным способом защиты металлов от коррозии является покрытие их слоем других металлов. Покрывающие металлы сами корродируют с малой скоростью, так как покрываются плотной оксидной пленкой. Покрывающий слой наносят различными методами:

– горячее покрытие – кратковременное погружение в ванну с расплавленным металлом;

– гальваническое покрытие – электроосаждение из водных растворов электролитов;

– металлизация – напыление;

– диффузионное покрытие – обработка порошками при повышенной температуре в специальном барабане;

– с помощью газофазной реакции.

Имеются и другие методы нанесения металлических покрытий. Например, разновидностью диффузионного способа является погружение изделий в расплав хлорида кальция, в котором растворены наносимые защитные металлы.

В производстве широко используется химическое нанесение металлических покрытий на изделия. Процесс химического металлирования является каталитическим или автокаталитическим, а катализатором является поверхность изделия. Используемый раствор содержит соединение наносимого металла и восстановитель. Поскольку катализатором является поверхность изделия, выделение металла и происходит именно на ней, а не в объеме раствора. В настоящее время разработаны методы химического покрытия металлических изделий никелем, кобальтом, железом, палладием, платиной, медью, золотом, серебром, родием, рутением и некоторыми сплавами на основе этих металлов. В качестве восстановителей используют гипофосфит и боргидрид натрия, формальдегид, гидразин. Естественно, что химическим никелированием можно наносить защитное покрытие не на любой металл.

Металлические покрытия делят на две группы:

– коррозионностойкие;

– протекторные.

Например, для покрытия сплавов на основе железа в первую группу входят никель, серебро, медь, свинец, хром. Они более электроположительны по отношению к железу, то есть в электрохимическом ряду напряжений металлов стоят правее железа. Во вторую группу входят цинк, кадмий, алюминий. Они более электроотрицательны по отношению к железу.

В повседневной жизни человек чаще всего встречается с покрытиями железа цинком и оловом. Листовое железо, покрытое цинком, называют оцинкованным железом, а покрытое оловом – белой жестью. Первое их них в больших количествах идет на кровли домов, а второе – на изготовление консервных банок. И то, и другое железо получают протягиванием листа железа через расплав соответствующего металла.

Металлические покрытия защищают железо от коррозии при сохранении сплошности. При нарушении же покрывающего слоя коррозия изделия протекает даже более интенсивно, чем без покрытия. Это объясняется работой гальванического элемента железо–металл. Трещины и царапины заполняются влагой, в результате чего образуются растворы, ионные процессы в которых облегчают протекание электрохимического процесса (коррозии).

Ингибиторы. Применение ингибиторов – один из самых эффективных способов борьбы с коррозией металлов в различных агрессивных средах. Ингибиторы – это вещества, способные в малых количествах замедлять протекание химических процессов или останавливать их. Название ингибитор происходит от латинского inhibere, что означает сдерживать, останавливать. По научным данным 1980 года, число известных ингибиторов составило более пяти тысяч. Ингибиторы дают народному хозяйству немалую экономию.

Ингибирующее воздействие на металлы, и, прежде всего на сталь, оказывает целый ряд неорганических и органических веществ, которые добавляются в среду, вызывающую коррозию. Ингибиторы имеют свойство создавать на поверхности металла очень тонкую пленку, защищающую металл от коррозии.

Ингибиторы в соответствии с Х. Фишером можно сгруппировать следующим образом.

1. Экранирующие, то есть покрывающие поверхность металла тонкой пленкой. Пленка образуется в результате поверхностной адсорбции. При воздействии физических ингибиторов химических реакций не происходит.

2. Окислители (пассиваторы) типа хроматов, вызывающие образование на поверхности металла плотно прилегающего защитного слоя окисей, которые замедляют протекание анодного процесса. Эти слои не очень стойки и при определенных условиях могут подвергаться восстановлению. Эффективность пассиваторов зависит от толщины образующегося защитного слоя и его проводимости;

3. Катодные – повышающие перенапряжение катодного процесса. Они замедляют коррозию в растворах неокисляющих кислот. К таким ингибиторам относятся соли или окислы мышьяка и висмута.

Эффективность действия ингибиторов зависит в основном от условий среды, поэтому универсальных ингибиторов нет. Для их выбора требуется проведение исследований и испытаний.

Наиболее часто применяются следующие ингибиторы: нитрит натрия, добавляемый, например, к холодильным соляным растворам, фосфаты и силикаты натрия, бихромат натрия, различные органические амины, сульфоокись бензила, крахмал, танин и т. п.

Ингибиторы со временем расходуются и должны добавляться в агрессивную среду периодически. Количество ингибитора, добавляемого в агрессивную среду, невелико. Например, нитрит натрия добавляют в количестве 0,01–0,05 %.

Ингибиторы подбираются в зависимости от кислого или щелочного характера среды. Часто применяемый в качестве ингибитора нитрит натрия может использоваться в основном в щелочной среде и перестает быть эффективным в слабокислых и кислых средах.

Ингибиторы – соли легких металлов в виде порошка, таблеток, добавленные в окрасочный состав или использованные для пропитки оберточной бумаги, в 8–10 раз повышают срок службы металла, поэтому их считают химической «броней» металлов. Добавление ингибиторов в агрессивную среду, например в кислоту, позволяет хранить ее в металлических емкостях. Обертывание ингибированной бумагой удобно тем, что на распаковку изделий и приведение их в рабочее состояние затрачивается минимум сил и средств.

Для защиты оборудования и строительных конструкций от коррозии в отечественной и зарубежной противокоррозионной технике применяется большой ассортимент различных химически стойких материалов – листовые и пленочные полимерные материалы, бипластмассы, стеклопластики, углеграфитовые, керамические и другие неметаллические химически стойкие материалы.

Большой интерес для применения в противокоррозионной технике представляет химически стойкий материал – шлакоситалл. Значительные запасы и дешевизна исходного сырья – металлургических шлаков – обусловливают экономическую эффективность производства и применения шлакоситалла. Шлакоситалл по физико-механическим показателям и химической стойкости не уступает основным кислотоупорным материалам (керамике, каменному литью), широко применяемым в противокоррозионной технике.

В настоящее время расширяется применение различных полимерных материалов, благодаря их ценным физико-химическим показателям, меньшему удельному весу и др.

Среди многочисленных полимерных материалов в противокоррозионной технике значительное место занимают конструкционные пластмассы, а также стеклопластики, получаемые на основе различных синтетических смол и стекловолокнистых наполнителей.

В настоящее время химическая промышленность выпускает значительный ассортимент материалов, обладающих высокой стойкостью к действию различных агрессивных сред.

Особое место среди коррозионно-защитных материалов занимает полиэтилен. Полиэтилен инертен во многих кислотах, щелочах и растворителях, теплостоек до температуры +70 ºС.

Другими направлениями использования полиэтилена в качестве химически стойкого материала являются порошкообразное напыление и дублирование полиэтилена стеклотканью. Широкое применение полиэтиленовых покрытий объясняется тем, что они, будучи одними из самых дешевых, образуют покрытия с хорошими защитными свойствами. Покрытия легко наносятся на поверхность различными способами, в том числе, пневматическим и электростатическим распылением.

Известен и уже довольно распространен способ защиты металлических конструкций без удаления продуктов коррозии, так как стоимость очистки и подготовки поверхности составляет около 40 % стоимости защитных мероприятий. Этот способ основан на растворении продуктов коррозии по рецепту Н. А. Назаровой ортофосфорной кислотой, кровяной солью, толуолом и скреплении их эпоксидной смолой.

 

2.4.2. Методы защиты конструкций от почвенной коррозии

Данные методы подразделяются на ряд способов, связанных с использованием специальных материалов для защиты от воздействия внутренних факторов, а также на три группы методов, обеспечивающих защиту от воздействия внешних факторов:

а) защитные изолирующие покрытия;

б) электрохимическая катодная защита от внешних источников тока или с помощью протекторов;

в) создание искусственной среды, замедляющей процесс коррозии.

Защитные битумные покрытия бывают трех типов: нормальные, усиленные и весьма усиленные. Возможные типы антикоррозионных изолирующих покрытий металлических конструкций приведены в табл. 3 и 4.

Защита подземных конструкций покрытиями на основе битумов, как показал опыт эксплуатации, недостаточна. Действительно, первое время такие покрытия воздухо- и водонепроницаемы, надежно изолируют конструкции от внешней агрессивной среды. Однако в дальнейшем грунтовая вода, кислород воздуха, температурные деформации конструкций и иные факторы, воздействующие как на сооружение в целом, так и на защитное покрытие, нарушают их герметичность – электролит получает доступ к конструкции и начинается электрохимическая коррозия.

 

Таблица 3