Проблемы борьбы с коррозией металлов, в т.ч. крепежных изделий и метизов.

В современном мире численность населения Земли быстро возрастает. В 1850 г. оно составляло 1,2 млрд человек, к 1950 г. увеличилось до 2,5 млрд человек, а к концу 2010 г. — до 6,8 млрд человек.

Соответственно растут и потребности людей, причем не про­порционально росту их численности, а более высокими темпами. Удовлетворить эти непрерывно умножающиеся потребности мож­но только за счет развития производства.

Так, если за последнюю четверть века население планеты воз­росло в 1,6 раза, то объемы основных производств — в 2-5 раз.

Промышленность Российской Федерации имеет более 20000 предприятий с разнообразными технологиями производства. Оборудование для них изготавливают на основе сплавов чер­ных и цветных металлов, а также из природных или искусствен­ных химически стойких материалов. Со временем оно стареет или разрушается вследствие коррозии. Это приносит не только большие экономические потери, но и приводит к глобальным экологическим катастрофам.

Экономический и экологический ущерб, наносимый нашей планете коррозией металлических изделий, оборудования и кон­струкций, неисчислим. В последние годы, например, только в Соединенных Штатах Америки ежегодные потери от коррозии составили 300 миллиардов долларов, что соответствует 6% на­ционального дохода всей страны.

В Российской Федерации ежегодные потери металлов из-за их коррозии составляют до 12% общей массы металлофонда, что соответствует утрате до 30% ежегодно производимого металла. Кроме столь огромных связанных с коррозией прямых потерь, существуют еще большие косвенные потери. К ним относятся расходы, обусловленные потерей мощности металлического обо­рудования, его вынужденными простоями из-за аварий, а также расходы на ликвидацию последствий аварий, часто носящих ха­рактер экологических катастроф.

Как правило, металлическое изделие, пришедшее в негод­ность вследствие коррозионных разрушений, отправляют на пе­реплавку. В этом случае общие потери будут включать без­возвратные потери металла, перешедшего в продукты коррозии, стоимость изготовления металлических изделий и косвенные потери. По статистическим данным безвозвратные потери со­ставляют 8-12% от первоначальной массы металла. Стоимость изготовления металлических конструкций зачастую превосходит стоимость самого металла. К косвенным потерям относят расхо­ды, связанные с отказом в работе металлического оборудования, с его простоями и ремонтом, связанные не в последнюю очередь с износом стыковых соединений, выполненных с помощью незащищенных крепежных изделий.

Суммарно в большинстве стран потери от коррозии составля­ют 4-6% национального дохода.

Росту потерь от коррозии способствует постоянное интенсив­ное развитие наиболее металлоемких отраслей промышленности, например, энергетики (тепловой и атомной), транспорта (в том числе трубопроводного), металлургии, химической, нефтяной и нефтехимической промышленности и др., а также ужесточение условий эксплуатации металла как в промышленности, так и в городском хозяйстве. Все это указывает на исключительную важность проблемы борьбы с коррозией металлов, а следова­тельно, и на большую значимость развития научно-технических работ в данной области. Но главное, что определяет необходи­мость первоочередного решения проблемы научного подхода к поиску оптимальных путей противокоррозионной защиты метал­лов, связано с безвозвратностью затрат на борьбу с коррозией металлических изделий и конструкций и невосполнимостью из­расходованных при этом земных ресурсов.

Химическая промышленность производит в настоящее время свыше 90 тысяч наименований разнообразных химических про­дуктов. Но лишь 1/5 от этого количества производится на основе всесторонних и действительно научных разработок. Технология производства около 80% из них не оптимизирована.

Необходимо отметить, что создание самых совершенных ма­шин и аппаратов не гарантирует их от разрушений. Повышение надежности, экологической безопасности технических систем предъявляет особо жесткие требования к качеству конструкций и монтажа.

В условиях несовершенства производства, нарушения техно­логий эксплуатации, износа оборудования вероятность «отказов» и аварий возрастает.

В настоящее время общий металлофонд Российской Феде­рации составляет 1,6 млрд т. Его распределение по отраслям промышленности представлено в табл. 1.

Таблица 1

Распределение металлофонда Российской Федерации по отраслям (млн т)

При этом 40-50% машин и сооружений работает в агрессив­ных средах, 30% — в слабо агрессивных, и только около 10% не требует активной антикоррозионной защиты.

Степень удовлетворенности страны основными средствами защиты металлоконструкций существенно ниже необходимой. В частности, потребность в лакокрасочных покрытиях и ин­гибиторах удовлетворяется на половину, а в защите готового металлопроката, например, в трубах с покрытиями — менее чем на 30%.

Наибольшие потери от коррозии несут топливно- энергетический комплекс (ТЭК), сельское хозяйство, химия и нефтехимия. Так, потери металла от коррозии составляют: в ТЭК — 30%, химии и нефтехимии — 20%, сельском хозяйстве — 15%, металлообработке — 5%.

В настоящее время проблема коррозии усугубляется резким старением основного металлофонда, физическим и моральным износом, совершенно недостаточной степенью возобновляемости и реновации (реконструкции, ремонта) (таблица 2).

Таблица 2

Старение и ремонт металлоконструкций

Большая часть из 800 млн тонн потенциально опасных свар­ных конструкций выработала свой ресурс на 50-70%. Значи­тельная часть сооружений исчерпала свой плановый ресурс и вступает в период интенсификации отказов.

Нефтегазовые сооружения (трубопроводные, магистральные и промысловые системы, несущие конструкции нефтеперераба­тывающих заводов и т.д.) эксплуатируются в условиях воздей­ствия добываемых, транспортируемых, перерабатываемых угле­водородных продуктов и агрессивных коррозионных сред.

Анализ причин отказов и аварий нефтегазовых сооружений свидетельствует о превалирующем влиянии коррозионного фак­тора. В нефтедобывающей промышленности и транспорте нефти 70% отказов произошло по причине коррозионных повреждений (таблица 3).

Таблица 3

Статистика отказов оборудования нефте-газовых систем

Для нахождения путей практического решения тех или иных задач, возникающих в результате коррозионного разрушения раз­личных металлических объектов, необходимо, в первую очередь, понимание законов такого разрушения, т.е. теории коррозии ме­таллов. Это требует рассмотрения общих вопросов, к которым, кроме механизма коррозии металлов, следует отнести такие раз­делы, как:

• диагностика конструкций и оборудования потенциально опасных производств и объектов;
• оценка прочности и остаточного ресурса эксплуатируемых конструкций и оборудования объектов повышенной опасно­сти;
• разработка ресурсосберегающих технологий сварки и смежных процессов для повышения надежности работы конструкций;
• сертификация и нормирование, как основа обеспечения ка­чества оборудования;
• экологические и социально-экономические проблемы обес­печения надежности эксплуатации потенциально опасных объектов.

Машины, металлоконструкции, крепежные изделия – болты, гайки и т.д., изготовленные из металлов и сплавов, при эксплуатации в природных или технологических средах, подвержены коррозии. Коррозией металлов называют са­мопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие их взаимодействия с окружающей средой. В основе этого вза­имодействия лежат химические и электрохимические реакции, а иногда и механическое воздействие внешней среды. Способ­ность металлов сопротивляться воздействию среды называ­ется коррозионной стойкостью или химическим сопротивле­нием материала. Металл, подвергающийся коррозии, называют корродирующим металлом, а среда, в которой протекает корро­зионный процесс — коррозионной средой. В результате коррозии изменяются свойства крепежа и часто происходит ухудшение его функциональных характеристик, а зачастую и полное разрушение.

Крепежные изделия при коррозии могут частично или полностью раз­рушаться. Химические соединения, образующиеся в результа­те взаимодействия металла и коррозионной среды, называют продуктами коррозии. Продукты коррозии могут оставаться на поверхности незащищенного крепежа в виде оксидных пленок, окалины или ржавчины. В зависимости от степени адгезии их с поверхностью металла наблюдаются различные случаи. Например, ржавчина на поверхности железных сплавов образует рыхлый слой, процесс коррозии распространяется далеко вглубь металла и может привести к образованию сквозных язв и свищей. Напротив, при окислении алюминия на поверхности образуется плотная сплош­ная пленка оксидов, которая предохраняет металл от дальнейше­го разрушения.

Коррозия является физико-химическим процессом и законо­мерности ее протекания определяются общими законами термо­динамики и кинетики гетерогенных систем. Различают внутренние и внешние факторы коррозии. Внутренние факторы харак­теризуют влияние на вид и скорость коррозии природы металла (состав, структура и т.д.). Внешние факторы определяют влия­ние состава коррозионной среды и условий протекания коррозии (температура, давление и т.д.).

Противокоррозионной защитой называют процессы или сред­ства, применяемые для уменьшения или прекращения коррозии металла. Основные понятия, термины и определения в области коррозии стандартизированы (ГОСТ 5272-68.). В системе госу­дарственных стандартов единой системы защиты от коррозии, старения и биоповреждений (ЕСЗКС) вопросы коррозии выде­лены в класс под номером «9». Следующая цифра, отделенная точкой от цифры «9», соответствует определенной классифика­ционной группе стандарта:

1  — Организационно-методические правила и нормы;

2   — Общие требования к выбору конструкционных материа­лов и комплексной защите;

3   — Металлические и неметаллические неорганические по­крытия;

4   — Лакокрасочные, полимерные покрытия;

5   — Временная противокоррозионная защита;

6   — Электрохимическая защита;

7   — Защита от старения;

8   — Защита от биоповреждений;

9   —Общие вопросы коррозии и защиты металлов.

Коррозионные процессы классифицируют по механизму вза­имодействия металлов с внешней средой; по виду коррозионной среды и условиям протекания процесса; по характеру корро­зионных разрушений; по видам дополнительных воздействий, которым подвергается металл одновременно с действием корро­зионной среды.

По механизму процесса различают химическую и электро­химическую коррозию металлов.

Химическая коррозия — это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восста­новление окислительного компонента среды протекают единовре­менно в одном акте. Продукты взаимодействия пространственно не разделены.

Электрохимическая коррозия — это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой (раствором электролита), при которой ионизация атомов металла и восстановление окисли­тельной компоненты коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала.

По виду коррозионной среды и условиям протекания раз­личают несколько видов коррозии.

Газовая коррозия — это химическая коррозия металлов в газовой среде при минимальном содержании влаги (как правило не более 0,1%) или при высоких температурах. В химической и нефтехимической промышленности такой вид коррозии встре­чается часто. Например, при получении серной кислоты на ста­дии окисления диоксида серы, при синтезе аммиака, получении азотной кислоты и хлористого водорода, в процессах синтеза органических спиртов, крекинга нефти и т.д.

• Атмосферная коррозия — это коррозия металлов в атмосфе­ре воздуха или любого влажного газа.
• Подземная коррозия — это коррозия металлов в почвах и грунтах.
• Биокоррозия — это коррозия, протекающая под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов.
• Контактная коррозия — это вид коррозии, вызванный кон­тактом металлов, имеющих разные стационарные потенциалы в данном электролите.
• Радиационная коррозия — это коррозия, обусловленная дей­ствием радиоактивного излучения.

Коррозия внешним током и коррозия блуждающим током. В первом случае — это коррозия металла, возникающая под воздействием тока от внешнего источника. Во втором случае — под воздействием блуждающего тока.

Коррозия под напряжением — коррозия, вызванная одно­временным воздействием коррозионной среды и механических напряжений. Если это растягивающие напряжения, то может произойти растрескивание металла. Это очень опасный вид кор­розии, особенно для конструкций, испытывающих механические нагрузки (оси, рессоры, автоклавы, паровые котлы, турбины и т.д.).

Если металлические изделия подвергаются циклическим рас­тягивающим напряжениям, то можно вызвать коррозионную усталость. Происходит понижение предела усталости металла. Такому виду коррозии подвержены рессоры автомобилей, кана­ты, валки прокатных станов.

Коррозионная кавитация — разрушение металла, обуслов­ленное одновременным коррозионным и ударным воздействием внешней среды.

фреттинг-коррозия — это коррозия, вызванная одновремен­но вибрацией и воздействием коррозионной среды.

Устранить коррозию при трении или вибрации возможно правильным выбором конструкционного материала, снижением коэффициента трения, применением покрытий, в первую очередь - цинковых и т.д.

По характеру изменения поверхности металла или спла­ва различают несколько видов коррозионных разрушений:

• сплошная равномерная;
• сплошная неравномерная;
• структурно-избирательная;
• пятнами;
• язвами;
• точками (питтинговая);
• подповерхностная;
• межкристаллитная.