Viteza de coroziune a metalelor. Metode de evaluare a proceselor corozive

Viteza de coroziune este un parametru multifactorial care depinde atât de condițiile externe de mediu, cât și de proprietățile intrinseci ale materialului. În documentația tehnică și de reglementare, există anumite limitări ale valorilor admisibile ale distrugerii metalelor în timpul funcționării echipamentelor și structurilor de construcții pentru a asigura funcționarea fără defecțiuni a acestora. Nu există un design metoda universală determinarea vitezei de coroziune. Acest lucru se datorează dificultății de a lua în considerare toți factorii. Cea mai fiabilă metodă este studierea istoricului de funcționare a unui obiect.

Criterii

Mai mulți indicatori ai vitezei de coroziune sunt utilizați în prezent în proiectarea tehnică:

• Prin măsurare directă: scăderea masei pe unitatea de suprafață a piesei metalice - indicator de greutate (măsurată în grame la 1 m)² adâncimea de coroziune (sau permeabilitatea procesului de coroziune), mm/an; cantitatea de produse de coroziune gazoase emise; durata de timp în care apare prima deteriorare prin coroziune; numărul de centre de coroziune pe unitatea de suprafață care apar într-o anumită perioadă de timp.
• Prin evaluare indirectă: curent electrochimic de coroziune; rezistență electrică; modificarea caracteristicilor fizico-mecanice.

Primul indicator prin metoda de evaluare directă este cele mai frecvente.

Formule de calcul

În general, pierderea de greutate care determină viteza de coroziune a unui metal se calculează cu ajutorul următoarei formule:

V_kp=q/(St),

unde q - reducerea masică a metalului, g;

S - suprafața de pe care a fost transportat materialul, m²;

t - perioada de timp, h.

Pentru tablele de oțel laminate și rulourile din acestea se determină indicele de adâncime (mm/an):

H=m/t,

m este adâncimea de pătrundere a coroziunii în metal.

Între primul și al doilea indice descris mai sus există următoarea corelație:

H=8.76V_kp /ρ,

unde ρ - densitatea materialului.

Principalii factori care influențează viteza de coroziune

Rata de rupere a metalului este influențată de următoarele grupe de factori:

• cele interne legate de natura fizică și chimică a materialului (structura fazelor, compoziția chimică, rugozitatea suprafeței piesei, tensiunile reziduale și de lucru din material și altele)
• externe (condiții ambiante, viteza mediului coroziv, temperatura, compoziția atmosferică, prezența inhibitorilor sau stimulanților etc.);
• Mecanică (apariția fisurilor de coroziune, distrugerea metalului sub sarcini ciclice, cavitare și coroziune de frecare);
• Caracteristici constructive (alegerea clasei de metal, distanțe între componente, cerințe de rugozitate).

Proprietăți fizico-chimice

Cei mai importanți factori de coroziune internă sunt următorii:

• Stabilitatea termodinamică. Pentru determinarea acestuia în soluții apoase, se utilizează diagramele de referință Pourbaix, în care pH-ul mediului este reprezentat pe abscisă și potențialul redox pe ordonată. O deplasare a potențialului în sens pozitiv înseamnă o stabilitate mai mare a materialului. Se definește aproximativ ca fiind potențialul normal de echilibru al metalului. În realitate, materialele se corodează la viteze diferite.
• Poziția atomului în tabelul periodic al elementelor chimice. Metalele cele mai sensibile la coroziune sunt metalele alcaline și alcalino-pământoase. Viteza de coroziune scade odată cu creșterea numărului atomic.
• Structura cristalină. Are un efect ambiguu asupra fracturii. Structura cu granulație grosieră nu duce singură la o creștere a coroziunii, dar este favorabilă pentru dezvoltarea distrugerii selective intergranulare a granițelor de grăunți. Metalele și aliajele cu o distribuție omogenă a fazelor se corodează uniform, cele cu o distribuție neuniformă a fazelor se corodează ca niște puncte focale. Dispunerea reciprocă a fazelor acționează ca un anod și catod într-un mediu agresiv.
• Neomogenitatea energetică a atomilor din rețeaua cristalină. Atomii cu cea mai mare energie sunt localizați în colțurile colțurilor de microruginozitate și sunt centre active de dizolvare în coroziunea chimică. Prin urmare, o prelucrare atentă (rectificare, lustruire, șlefuire) a componentelor metalice crește rezistența la coroziune a acestora. Acest efect poate fi explicat, de asemenea, prin formarea unor pelicule de oxid mai groase și mai continue pe suprafețe netede.

Influența acidității mediului

În timpul coroziunii chimice, concentrația de ioni de hidrogen afectează următoarele puncte

• solubilitatea produselor de coroziune;
• Formarea de pelicule de oxid de protecție;
• Rata de distrugere a metalului.

La valori ale pH-ului cuprinse între 4 și 10 (soluție acidă), coroziunea fierului depinde de intensitatea pătrunderii oxigenului la suprafața obiectului. În soluțiile alcaline, viteza de coroziune scade mai întâi din cauza pasivizării suprafeței, iar apoi, la pH>13 crește ca urmare a dizolvării peliculei protectoare de oxid.

Există o corelație specifică între intensitatea distrugerii și aciditatea soluției pentru fiecare tip de metal. Metalele nobile (Pt, Ag, Au) sunt rezistente la coroziune în mediu acid. Zn, Al se corodează rapid în acizi și alcalii. Ni și Cd sunt rezistente la alcali, dar ușor de corodat de acizi.

Compoziția și concentrația soluțiilor neutre

Viteza de coroziune în soluții neutre depinde într-o mai mare măsură de proprietățile sării și de concentrația acesteia:

• Hidroliza sărurilor într-un mediu coroziv produce ioni care acționează ca activatori sau întârziatori (inhibitori) ai degradării metalelor.
• Compușii care măresc pH-ul măresc, de asemenea, viteza procesului de distrugere (de exemplu, cenușa de sodă), iar compușii care reduc aciditatea o reduc, de asemenea, (clorura de amoniu).
• În cazul în care în soluție sunt prezente cloruri și sulfați, distrugerea se intensifică până la atingerea unei anumite concentrații de săruri (ceea ce se explică prin întărirea procesului anodic sub influența ionilor de clor și sulf), iar apoi scade treptat datorită reducerii solubilității oxigenului.

Anumite săruri pot forma pelicule insolubile (de exemplu, fierul fosforic). Acest lucru ajută la protejarea metalului împotriva degradării ulterioare. Această proprietate este utilizată în aplicarea de agenți de prevenire a ruginii.

Inhibitori de coroziune

Inhibitorii de coroziune se disting prin mecanismul de acțiune la procesul de oxidare-reducere:

• Anodică. Datorită acestora se formează o peliculă pasivă. Acest grup include compuși pe bază de cromați și bicromați, nitrați și nitriți. Acest din urmă tip de inhibitor este utilizat pentru protecția interfuncțională a componentelor. Atunci când se utilizează inhibitori de coroziune anodică, trebuie să se stabilească în prealabil o concentrație minimă de protecție, deoarece adăugarea unor cantități mici poate duce la o rată crescută de degradare.
• Catodică. Mecanismul lor de acțiune se bazează pe reducerea concentrației de oxigen și, în consecință, pe încetinirea procesului catodic.
• Ecranare. Acești inhibitori izolează suprafața metalului prin formarea unor compuși insolubili care se depun ca un strat protector.

Acest din urmă grup include neutralizatorii de rugină, care sunt, de asemenea, utilizați pentru reducerea oxizilor. Acestea conțin de obicei acid ortofosforic. Fosfatarea metalelor, adică formarea unui strat protector dur de fosfați insolubili, are loc sub influența sa. Neutralizatorii se aplică prin pulverizare sau cu ajutorul unei role. După 25-30 de minute, suprafața are o culoare alb-gri. După ce compusul s-a uscat, se aplică vopsele.

Acțiune mecanică

Coroziunea crescută în atmosfere agresive este facilitată de tensiuni mecanice, cum ar fi

• Tensiuni interne (în timpul formării sau tratamentului termic) și externe (sub influența sarcinilor aplicate din exterior). Rezultatul este eterogenitatea electrochimică, o scădere a stabilității termodinamice a materialului și formarea de fisuri de coroziune. Fractura se produce deosebit de rapid sub sarcini de tracțiune (fisurile se formează în planuri perpendiculare) în prezența anionilor oxidanți, de exemplu NaCl. Un exemplu tipic de dispozitive supuse acestui tip de degradare sunt piesele din cazanele cu abur.
• Forțe dinamice și neconvulsive, vibrații (oboseală prin coroziune). Severitatea la oboseală este redusă sever și se dezvoltă mai multe microfisuri care apoi se unesc într-o fisură mai mare. Numărul de cicluri până la cedare depinde în mare măsură de compoziția chimică și de fază a metalelor și aliajelor. Arborii pompelor, arcurile, paletele turbinei și alte componente sunt supuse unei astfel de coroziuni.
• Frecarea componentelor. Coroziunea rapidă este cauzată de uzura mecanică a peliculelor protectoare de pe suprafața componentei și de interacțiunea chimică cu mediul. Rata de fractură este mai mică în lichid decât în aer.
• Impact de cavitație. Cavitația apare atunci când curgerea lichidului este perturbată de formarea bulelor de vid care se prăbușesc și creează o acțiune pulsatorie. Rezultatul este un prejudiciu localizat și profund. Acest tip de coroziune este adesea întâlnit în aparatele chimice.

Factori structurali

La proiectarea elementelor care funcționează în condiții agresive, este necesar să se țină seama de faptul că rata de coroziune crește în următoarele cazuri

• atunci când metale diferite intră în contact (cu cât este mai mare diferența de potențial între electrozi, cu atât este mai mare intensitatea curentului din procesul de rupere electrochimică);
• În prezența concentratorilor de tensiuni mecanice (caneluri, fante, găuri și altele);
• la o puritate scăzută a suprafeței prelucrate, deoarece în acest caz există cupluri galvanice locale scurtcircuitate;
• atunci când există o diferență semnificativă de temperatură între părțile individuale ale aparatului (formarea de elemente termohalvanice);
• În prezența unor zone stagnante (lacune, goluri);
• în formarea de tensiuni reziduale, în special în îmbinările sudate (pentru eliminarea acestora este necesar să se asigure un tratament termic - recoacere).

Metode de evaluare

Există în mai multe moduri Evaluarea ratei de rupere a metalelor în medii agresive:

• Laborator - teste ale eșantioanelor în condiții simulate artificial și apropiate de cele reale. Avantajul lor este că permit o durată mai scurtă de examinare.
• Pe teren - efectuate în mediul natural. Durează mult timp. Avantajul acestei metode este că oferă informații despre proprietățile metalului în condiții de funcționare viitoare.
• In situ - teste ale obiectelor metalice finite în mediul natural.