Защита металла от коррозии

Данное явление известно еще с давних пор, но по-прежнему приносит многомиллионные убытки мировой экономике. Речь идет о коррозии углеродистых сталей, а также некоторых сплавов (в основном, из железа). Процессы коррозии не только портят внешний вид деталей и конструкций, но и являются причиной существенного снижения их долговечности и надежности.

Публикуя свой регулярно обновляемый каталог предлагаемой продукции, ЗАО «ТФД Брок Инвест-Сервис и Ко» выражает уверенность в том, что описанные в статье виды защиты от коррозии позволят нашим клиентам эффективно противостоять этому серьезному, но поддающемуся контролю явлению.

Что такое коррозия: общие соображения

Это - естественный, постепенный процесс, при котором химически или электрохимически рафинированные металлы преобразуются в более стабильные соединения, в частности, оксиды металлов, гидроксиды или сульфиды. По сути, это «металлургия в обратном порядке», когда обработанный металл возвращается в своё естественное, неочищенное состояние (например, в железную руду) под воздействием компонентов окружающей среды, как влага, кислород и различные загрязнители. Ржавчине подвержены все марки сталей.

Детали и приборы, установленные в технологических трубопроводах и производственном оборудовании, играют решающую роль в промышленных процессах, отслеживая и контролируя различные параметры для обеспечения безопасности и стабильности функционирования. Однако они могут подвергаться воздействию агрессивных сред, что со временем снижает их производительность и надежность. В более серьезных условиях это может привести к таким проблемам, как утечки, создавая угрозу безопасности в производственном процессе.

Чтобы быстро обнаружить проблемы с коррозией металла, мы опишем некоторые явления коррозии в технологических трубопроводах, оборудовании и корпусах приборов. Первым предупреждением о начале коррозии считается появление точечных отверстий (или питтингов) на металлических поверхностях. Обширные питтинги, соединяясь вместе, проявляются через изменения цвета (например, черный, синий, зеленый вместо характерного серебристо-серого) на металлической поверхности или через неровности поверхности, в виде вмятин.

Начиная с этого момента, мониторинг текущего состояния металла, а также эксплуатируемых деталей и конструкций, должен проводиться тщательно и постоянно. Исключение составляют металлы и сплавы из нержавеющих марок сталей, а также материалы, имеющие антикоррозийное защитное покрытие. 

Признаки коррозии

Питтинговая коррозия носит преимущественно локализованный характер и обычно начинается с поверхностных дефектов, выступающих включений или границ зерен металла. Она часто начинается ниже поверхности металла и на определенной глубине, что затрудняет ее обнаружение.

Отказ оборудования часто проявляется в виде изолированных или множественных коррозионных перфораций, причем в очень редких случаях это приводит к полному выходу из строя. На нефтеперерабатывающих заводах даже аустенитные, ферритные и мартенситные нержавеющие стали сталкиваются с проблемами питтинговой коррозии. Материалы, подверженные точечной коррозии, не должны использоваться для изготовления технологического оборудования.

Предупреждения о коррозии №1

Поверхностные или внутренние трещины в металлических материалах, характеризующиеся мелкими хрупкими изломами, распространяющимися вдоль направлений напряжений, локальными углублениями, вмятинами или отверстиями различной глубины на поверхности.

Также наблюдаются:

• Изменение цвета поверхности;
• Повышенная шероховатость; 
• Деформации поверхности. 

Эти признаки могут указывать на коррозионное растрескивание под напряжением. Оно вызвано хлоридами и возникает, когда аустенитная нержавеющая сталь подвергается разрушению водной среды, содержащей ионы хлоридов. Это может произойти при температуре от 54°C до 79°C при низком pH или присутствии растворенного кислорода и даже следов хлорид-ионов. Обычно возникает транскристаллитное растрескивание.

Аустенитная нержавеющая сталь может растрескиваться в присутствии конденсата пара и горячей воды. Коррозионное растрескивание изделий под напряжением обычно требует присутствия воды или влаги. Следовательно, избегание чередования влажных и сухих условий может в некоторой степени предотвратить появление подобного явления. Различные комбинации металлов и агрессивных сред могут привести к различным проявлениям коррозии под напряжением, поэтому конкретные обстоятельства могут различаться.

Если на поверхности металла выявляется множество мелких пузырьков, обычно имеющих круглую или овальную форму и различающихся по размеру, они со временем могут образовывать плотно упакованные кластеры или появляться по отдельности. Это может быть результатом диффузии атомарного водорода в сталь и попадания его в зазоры, прослойки или неметаллические включения. Атомы водорода, попадающие в эти области, объединяются, образуя молекулярный водород, который не может диффундировать наружу.

Предупреждения о коррозии №2

Охрупчивание граничных участков металлов, приводящее к образованию трещин по границам зерен. В областях границ зерен часто образуются ямки и отверстия неправильной формы и разных размеров. Может возникнуть изменение цвета поверхности, например, синие, фиолетовые, коричневые пятна или участки, что указывает на межкристаллитную коррозию.

Межкристаллитная коррозия — это высоколокализованная форма коррозии, вызванная воздействием специфической химической среды на границы зерен металла, оставляющей сами зерна коррозионно стойкими. Это может привести к растрескиванию и отслоению зерен. Для предотвращения межкристаллитной коррозии необходим правильный выбор материала и/или оптимизация режима термообработки.

Предупреждения о коррозии №3

Наблюдение электрических токов, вызывающих электрохимические реакции на металлических поверхностях, такие как образование пузырьков или реакции окисления/восстановления на металлической поверхности. Могут возникнуть явления местной коррозии, такие как ямки, отверстия или растворение поверхности. Как и в предыдущем случае, наблюдаются изменения цвета на поверхности (появление синих, зеленых, коричневых пятен или участков). Эти признаки могут указывать на гальваническую коррозию.

Гальваническая коррозия – это совокупность электрохимических реакций, проходящих при контакте (электрическом соединении) слоя из двух разнородных металлов или сплавов в присутствии электролита. Преимущественно корродирует более активный металл (имеющий отрицательный потенциал). Чтобы предотвратить гальваническую коррозию, можно выбрать металлы с примерно одинаковым потенциалом.

Предупреждение о коррозии №4

Проявляется в:

• Износе или эрозии металлической поверхности;
• Потере ее первоначальной гладкости, вследствие чего после обработки появляются шероховатости или неровности;
• Повышенном системном шуме и вибрациях; 
• Уменьшении площади поперечного сечения труб, что приводит к уменьшению расхода или увеличению перепада давления. 

Совокупность таких признаков называется кавитацией. Эффект кавитации можно смягчить, выбрав в качестве исходного материала нержавеющую сталь, никелевые сплавы и т. д. Также может помочь регулировка температуры жидкости, давления, скорости потока и других параметров. Для уменьшения эффектов кавитации можно использовать подавители кавитации, регуляторы потока и буферы.

Предупреждения о коррозии №5

Аномальное повышение или понижение температуры наружной поверхности оборудования или трубопроводов, значительные перепады температур по сравнению с окружающей средой, трещины или расслоение изоляционных слоев, утечки жидкости или газа, изменения внешнего вида (изменение цвета, рост шероховатости поверхности или ее окисление). Эти признаки могут указывать на коррозию под изоляцией.

Чтобы смягчить этот эффект, можно использовать соответствующую упаковку и герметизацию, чтобы изоляция оставалась сухой. Перед изоляционными работами наносят антикоррозийные покрытия возле фланцев, клапанов и насосов, поскольку в этих местах возможны протечки, которые могут увлажнить изоляцию. Для оборудования и трубопроводов из аустенитной нержавеющей стали, с низким содержанием хлоридов можно использовать изоляцию из пеностекла с закрытыми порами. 

Предупреждение о коррозии №6

Изменения формы, увеличение размеров или усиление деформации компонентов, что делает их склонными к трещинам или повреждениям под напряжением. Пример - сильное провисание печных труб, указывающее на повреждение от ползучести. Чтобы уменьшить повреждение, можно выбрать материалы с высоким сопротивлением ползучести, такие как жаропрочные сплавы или стали.

Особенно тщательно контролируется рабочая температура и нагрузка узлов оборудования, что помогает избежать превышения пределов температуры ползучести материала и напряжения. Снижение рабочей температуры оборудования или компонентов с помощью систем охлаждения или других мер охлаждения также может снизить риск ползучести.

Важно отметить, что проявление коррозии может варьироваться в зависимости от таких факторов, как материалы, температура и условия окружающей среды. Поэтому важно проводить комплексную оценку с использованием нескольких методов наблюдения.

Классификация видов коррозии

Коррозию обычно разделяют на две основные категории в зависимости от того, как она проявляется. 

Равномерная коррозия

Возникает по всей поверхности, что делает ее предсказуемой и легкой в борьбе с ней. Характеристики: равномерные, обширные потери материала по всей поверхности. Внешний состав: красновато-коричневая ржавчина на стали или общее потускнение. 

Причины: воздействие атмосферы, влаги или почвы. Профилактика: покрытия, покраска, выбор коррозионно стойких материалов, увеличение допуска на коррозию при проектировании

Локализованная коррозия

Сосредоточена в определенных областях, что затрудняет ее обнаружение и делает ее более опасной. 

Разновидности:

• Питтинговая коррозия. Чрезвычайно локализована, образует небольшие, но глубокие лунки (ямки). Механизм действия - разрушение пассивных пленок (например, га нержавеющей стали) в средах с высоким содержанием хлоридов. Обнаружение затруднено. Поскольку участки часто скрыты продуктами коррозии.
• Щелевая коррозия. Встречается в экранированных, закрытых или застойных зонах (например, под прокладками, шайбами или головками болтов). Механизм заключается в дефиците кислорода внутри щели, что делает ее анодной по сравнению с окружающей средой.
• Нитевидная коррозия. Распространяется под окрашенные или гальванизированные поверхности. Встречается при высокой влажности (обычно >75%). 
• Гальваническая (биметаллическая) коррозия. Ускоренно воздействует на менее благородный (анодный) металл при электрическом контакте с более благородным (катодным) металлом в электролите.
• Межкристаллитная коррозия. Воздействует по границам зерен сплава. Часто возникает в нержавеющих сталях, где после сварки или неправильной термической обработки вблизи границ зерен образуются зоны с обеднением хромом. В результате металл теряет механическую прочность и разрушается. 
• Эрозия-коррозия. Заключается в ускоренной деградации металла, вызванной относительным движением коррозионной жидкости и металлической поверхности. Проявляется в форме канавок, ложбин или лунок, располагающихся по направлению потока. Характерна для колен труб, клапанов, рабочих колес насосов. 
• Коррозионное растрескивание под напряжением. Характеризуется внезапным хрупким разрушением пластичных металлов под действием растягивающего напряжения в специфической агрессивной среде.
• Микробиологическая коррозия. Инициируется/ускоряется микроорганизмами (бактериями, грибами, водорослями). Часто сопровождается слизистыми отложениями. 
• Селективное выщелачивание. Суть - преимущественное удаление одного элемента из сплава (например, цинка из латуни).
• Высокотемпературная коррозия. Проявляется как прямое химическое воздействие газов (окисление, сульфидирование) при высоких температурах без жидкого электролита. 

Часто встречается комбинация одного или нескольких видов.

Обзор некоторых методов защиты металлов от коррозии

Распространенные и эффективные способы

Барьерные покрытия. Один из самых простых и дешевых способов предотвратить коррозию — использовать барьерные покрытия - краску, пластик или порошок. Порошки прикливают к металлической поверхности, чтобы создать тонкую пленку. Пластик и воск часто распыляют на металлические поверхности. Краска действует как покрытие, защищающее металлическую поверхность от электрохимического заряда, исходящего от коррозийных соединений. 

Самый большой недостаток покрытий заключается в том, что их часто приходится снимать и наносить заново. Покрытия, нанесенные неправильно, могут быстро выйти из строя и привести к повышенному уровню коррозии. Покрытия содержат летучие органические соединения, которые делают их опасными для людей и окружающей среды.

Горячее цинкование включает погружение стали в расплавленный цинк. Железо в стали вступает в реакцию с цинком, образуя прочно связанное покрытие. 

К сожалению, оцинковку невозможно выполнить на месте. Это означает, что компании должны вывести оборудование из эксплуатации для обработки. Некоторое оборудование может оказаться слишком большим для этого процесса, что вынудит вообще отказаться от этой идеи. Кроме того, цинк может скалываться или отслаиваться. А сильное воздействие элементов окружающей среды может ускорить процесс износа цинка, что приведет к увеличению затрат на техническое обслуживание. Наконец, пары цинка, выделяющиеся в процессе гальванизации, очень токсичны.

Применение легированной нержавеющей стали, содержащей повышенный процент хрома и никеля. Коррозионностойкий никель, например, в сочетании с устойчивым к окислению хромом образует сплав, который можно использовать в окисленных и восстановленных химических средах. Несмотря на свою эффективность, легированная сталь очень дорога.

Катодная защита защищает электрохимическим способом. Чтобы предотвратить коррозию, активные центры на поверхности металла преобразуются в пассивные за счет подачи электронов из другого источника, обычно с гальванических анодов, прикрепленных к поверхности или рядом с ней. Металлы, используемые для анодов - алюминий, магний или цинк.

Хотя катодная защита очень эффективна, аноды изнашиваются, и их необходимо часто проверять и/или заменять, что может привести к увеличению затрат на техническое обслуживание. Они также увеличивают вес прикрепленной конструкции и не всегда эффективны в средах с высоким удельным сопротивлением.

Народные средства

Народные или традиционные методы защиты от коррозии основаны на использовании легкодоступных бытовых материалов для создания барьеров против кислорода и влаги. Эти методы часто используются для проектов «сделай сам», обслуживания инструментов и консервации старого оборудования. 

Распространенные народные и традиционные методы

Смазка: покрытие металлических поверхностей машинным или моторным маслом, либо) или густой смазкой предотвращает попадание влаги на металл. Часто используется для движущихся частей, ручных инструментов и петель.

Восковое покрытие: нанесение расплавленного воска или парафина обеспечивает прочный, водонепроницаемый барьер, эффективный для инструментов и декоративного металла.

Угольная смола или битум. Исторически железные трубы и поверхности покрывались каменноугольной смолой для предотвращения ржавчины.

Упаковка из промасленной бумаги. Инструменты часто заворачивают в специальную антикоррозионную бумагу, чтобы предотвратить контакт с влагой во время хранения.

Чернение/воронение: традиционный метод, при котором железо нагревается и покрывается маслом или другими химическими веществами для создания слоя черного оксида, обеспечивающего умеренную устойчивость к коррозии.

Погружение заржавевших или подверженных риску коррозии деталей в дизельное топливо или керосин помогает очистить металл и нанести на него покрытие, чтобы предотвратить дальнейшее окисление.

Использование уксуса для удаления ржавчины. Замачивание деталей в белом уксусе, хотя и не является методом профилактики, является распространенным народным средством для удаления существующей ржавчины перед нанесением защитного покрытия. 

Заключение: таблица сравнительной эффективности разных методов

Вариант для наилучшего использования метода	Основные преимущества	Ограничения
Горячеоцинкованная и конструкционная сталь	Высокая долговечность, активная и пассивная защита	Невозможно выполнить на месте, токсичные пары
Легкие металлы (Al, Mg)	Высокая твердость, устойчивость к износу	Требуется специальное оборудование
Катодная защита	Лучше всего подходит для суровых/водных сред	Требует обслуживания/замены
Дуплекс	Суровые условия эксплуатации. Самый длительный срок службы	Высокие первоначальные затраты
Нержавеющая сталь	Высокая прочность и устойчивость	Высокая стоимость
Порошковое покрытие	Промышленные детали	Менее подходит для сложных и мелких деталей
Бумага ингибитора паровой коррозии (VCI)	Для предотвращения коррозии металлических изделий во время транспортировки и хранения.	Только для мелких и средних изделий
Обработка хроматом	Универсальный	Высокой токсичность и несоблюдение экологических норм.

ЗАО «ТФД Брок Инвест-Сервис и Ко» полагает, что сведения из данной статьи помогут заказчикам выбрать наилучший метод защиты от коррозии.