Защита металла от коррозии.

В настоящее время проблема защиты металлоконструкций от коррозии является актуальной как в России, так за рубежом. Актуальность данной проблемы обусловлена тем, что интенсивное развитие  наиболее металлоемких отраслей промышленности сопровождается быстро растущим экономическим и экологическим ущербом, наносимым коррозией металлоконструкций, оборудования и изделий.

Ежегодные потери металлов из-за коррозии в России составляют до 12% от общей массы металлофонда, что соответствует утрате до 30% ежегодно производимого металла. Резкое старение основного металлофонда усугубляется низкой степенью его возобновления и недостаточным объемом мероприятий по его реконструкции и ремонту.

Таким образом, принятие эффективных и экономичных мер для продления остаточного ресурса и повышения надежности эксплуатируемых сооружений и металлоконструкций является приоритетной задачей. Основное направление решения этой проблемы лежит в поиске оптимальных путей борьбы с коррозией.

Коррозия – это реакция металла с окружающей средой, которая вызывает измеримое изменение в материале, и может привести к ухудшению работы отдельного узла или всей конструкции, установки или изделия. Коррозия металлов может быть вызвана, как правило, реакцией окисления металла подложки с образованием окалины железа (упрощенно):

3Fe + 2O₂        Fe₃O₂

В условиях промышленной атмосферы, насыщенной промышленными газами (окислы серы, азота, углекислый газ и др.) процесс коррозии металлических поверхностей протекает еще интенсивнее. Присутствие электролитов на поверхности металла и наличие на ней разности потенциалов в различных точках являются условиями протекания реакций электрохимической коррозии. Наличие электролита и разности потенциалов в присутствии соответствующего окислителя (как правило – кислорода воздуха) приводят к образованию многочисленных очагов коррозии.

         Коррозию можно классифицировать по следующим признакам:

Таким образом, виды коррозии металлов представлены широко, а вот методы защиты не так многочисленны:

• электрохимический метод – позволяет уменьшить разрушительный процесс на основе закона гальваники;
• уменьшение агрессивной реакции производственной среды;
• химическое сопротивление металла;
• защита поверхности металла от неблагоприятного воздействия окружающей среды.

Электрохимическая защита металлов от коррозии основана на действии электрического тока, под его постоянным воздействием коррозия прекращается.

Внедрение ингибиторов в агрессивную среду, контактирующую с металлом, позволяет снизить скорость коррозийных процессов.

Химическое сопротивление и антикоррозионная защита металла поверхности относятся к пленочным способам сохранения. Они уже могут применяться как на стадии изготовления металлоизделий, так и в момент эксплуатации. Выделяют следующие способы: лужение, оцинковку, покраску и ряд др.

Использование лакокрасочных материалов – наиболее популярный способ защиты металла от коррозии. Лакокрасочное покрытие создает защитный слой, который создает препятствие для воздействия агрессивной среды на металлоконструкцию или изделие. При этом долговечность квалифицированно окрашенных металлоконструкций и изделий повышается в 2 – 10 раз.

При правильном подборе материала и способа нанесения ЛКП обеспечивается достаточно надежная защита металлических конструкций от коррозии в атмосфере и ряде коррозионных сред (например – окраска речных и морских судов, водонапорных баков, нефтяных танков, промышленных металлоконструкций и мостов и др.)

Основными достоинствами лакокрасочных покрытий являются:

• сравнительная дешевизна;
• относительная простота нанесения;
• легкость восстановления разрушенного покрытия
• сочетаемость с другими способами защиты, например протекторной защитой, фосфатными и оксидными покрытиями;
• возможность получения покрытий различных цветов, обладающих наряду с защитными еще и декоративными свойствами.

Основным недостатком лакокрасочных покрытий является их сравнительно невысокие механическая прочность и стойкость в водной среде, низкая термостойкость. Предельная температура эксплуатации ЛКП составляет 150 – 200ºС (исключение составляют покрытия на основе кремнийорганических ЛКМ).

Эффективность применения лакокрасочных покрытий целесообразна при условии долговечности эксплуатации не более 10 лет. Если требуется повышение долговечности эксплуатации металлического изделия, то следует применять комбинированные покрытия. Например, оцинковка плюс лакокрасочное покрытие. Такое покрытие позволяет увеличить срок защиты до 30 лет.

Защитное действие лакокрасочного покрытия заключаются в создании на поверхности металлического изделия сплошной пленки, которая препятствует агрессивному воздействию окружающей среды и предохраняет металл от разрушения.

В первую очередь это достигается за счет увеличения длины пути коррозионных агентов к металлической подложке – т.е. уменьшения проницаемости лакокрасочного покрытия. Существенное влияние на проницаемость пленки покрытия оказывает форма частиц пигмента в ЛКМ. Наибольшим барьерным эффектом обладают покрытия, содержащие частицы пигмента чешуйчатой формы (микрослюда, алюминиевая пудра, железная слюдка, некоторые марки микроталька и др.). Эти частицы располагаются в покрытии параллельно подложке, перекрывая ее подобно черепице и затрудняя доступ коррозионных агентов (Рис. 1).

SO₂, СО, СО₂, NO, NO_2, H₂O и др.

Металлическая подложка

Рис. 1   Увеличение длины пути агентов коррозии к подложке (барьерная защита).

Традиционно для защиты от коррозии металлической поверхности используются комплексные двухслойные покрытия, состоящие из противокоррозионной грунтовки и покрывной эмали. Грунтовка, наряду с адгезией, обеспечивает защиту металлической подложки от коррозии как за счет т.н. «барьерного эффекта» (т.е. увеличения диффузного расстояния для коррозионных агентов к поверхности металла), так и благодаря применению противокоррозионных пигментов и специальных добавок – ингибиторов коррозии. Наружный слой эмали обеспечивает окрашенному изделию защиту от атмосферных воздействий, а также надлежащий внешний вид.

Противокоррозионные пигменты по механизму защиты можно подразделить на пигменты – ингибиторы анодного процесса коррозии и ингибиторы катодного процесса коррозии. Первые предотвращают процесс ионизации металла, выделяя ионы, образующие на анодных участках пассивные пленки, изолирующие поверхность (хроматы и фосфаты металлов, свинцовый сурик, ферриты).

Вторые – пигменты-ингибиторы катодного процесса – снижают скорость диффузии коррозионных агентов к подложке за счет повышения рН на границе «лакокрасочное покрытие – подложка», в результате чего образуются плотные слои нерастворимых солей, изолирующих катодные участки (Рис. 2). К таким пигментам можно отнести пигменты, обладающие основными свойствами – крона, цинковые и свинцовые белила, различные карбонаты.

+             -

                                      Fe                      Zn

                                                                    Анод: Zn - 2e       Zn²⁺  

                                                  Катод: Н₂О + О₂ + 2e        4OH^- 

Рис. 2   Ингибирование катодного процесса (протекторная защита)

Замедление скорости диффузии коррозионных агентов достигается также за счет уплотнения и ориентации пленкообразователя вблизи поверхности частиц пигмента при их взаимодействии с пленкообразователем. Такой способностью обладают пигменты, содержащие окисляющие и комплексообразующие ионы – крона, цинксодержащие пигменты и ряд других.

Пигменты, обладающие более высокой растворимостью, обеспечивают противокоррозионную защиту в начальный период эксплуатации лакокрасочного покрытия. Малорастворимые пигменты способствуют сохранению противокоррозионных свойств покрытий в ходе его длительной эксплуатации. Поэтому на практике в рецептурах противокоррозионных ЛКМ используют смеси пигментов разной растворимости.

Кроме того, ряд пигментов могут связывать коррозионно-активные газы и жидкости за счет физико-химического или химического взаимодействия с ними (технический углерод, оксид цинка, диоксид титана, цинковые крона и ряд др.).

В состав грунтовки или грунт-эмали может входить ингибитор коррозии – вещество, которое, адсорбируясь на поверхности металла, делает её потенциал положительнее, тем самым замедляя процесс коррозии. Т.е. механизм действия ингибиторов коррозии имеет электрохимическую природу.

Доминирующее положение среди ингибиторов коррозии занимают преобразователи ржавчины на основе орто-фосфорной кислоты. Это обусловлено как их низкой стоимостью, так и доступностью для рядового потребителя. Однако, такие композиционные составы не только морально устарели, но и обладают целым рядом недостатков, связанных с их применением, в первую очередь – отрицательным воздействием на здоровье человека и окружающую среду.

Известно большое количество веществ, которые можно рассматривать в качестве ингибиторов коррозии. Наиболее четко ингибиторное действие выражено у аминов (например – циклогексиламина), соединений, тиолов, мочевины сульфидов, альдегидов и др.

В настоящее время все большую популярность приобретают преобразователи ржавчины на лигниновой основе (изготавливаемые из отходов переработки растительного сырья), и различные композиционные составы на основе производных танина. Последние в основном представлены товарами, импротируемыми из Европы.

Таким образом, современные противокоррозионные лакокрасочные материалы реализуют все три механизма защиты от коррозии:

• барьерный, достигаемый за счет черепичного перекрытия подложки
• протекторный, основанный на использовании противокоррозионных пигментов
• снижение скорости процесса коррозии при помощи ингибиторов различного состава.

ЛИТЕРАТУРА:

А.Д. Яковлев   Химия и технология лакокрасочных покрытий: Учебное пособие для ВУЗов. Л.: Химия, 1981. – 352 с.

Е.Ф. Беленький, И.В. Рискин   Химия и технология пигментов. 4-е изд. Л.: Химия, 1974. – 656 с.

П.И. Ермилов, Е.А. Индейкин, И.А. Толмачев   Пигменты и пигментированные лакокрасочные материалы. Л.: Химия, 1987. – 200 с.

Е.В. Искра   Лакокрасочные материалы и покрытия в судостроении: Справочник. Л.: Судостроение, 1984. – 368 с.

И.Л. Розенфельд, Ф.И. Рубинштейн, К.А. Жигалова   Защита металлов от коррозии лакокрасочными покрытиями. М.: Химия, 1987. – 224 с.

Ф.И. Ильдарханова, К.Г. Богословский   Выбор лакокрасочных покрытий для долговременной противокоррозионной защиты металлоконструкций нефтегазовой отрасли. Территория Нефтегаз, №6, 2013.