Металл коррозия процесіне қоршаған ортаның әсері
Коррозия - қоршаған ортамен химиялық немесе электрохимиялық реакцияларға байланысты металдың ыдырау процесі. Күнделікті өмірде коррозияны темірдегі «тот» деп тану оңай, бірақ ол іс жүзінде болат, алюминий, мыс, мырыш және тіпті өнеркәсіпте қолданылатын арнайы қорытпалар сияқты әртүрлі металдарда пайда болуы мүмкін. Әсері тек эстетикалық емес: коррозия механикалық беріктікті төмендетеді, жабдықтың қызмет ету мерзімін қысқартады, техникалық қызмет көрсету шығындарын арттырады және кейбір жағдайларда қауіпті құрылымдық ақауларды тудыруы мүмкін. Коррозияға қоршаған орта жағдайлары қатты әсер ететіндіктен, қоршаған ортаның әсерін түсіну оның алдын алу немесе баяулатудағы маңызды қадам болып табылады.
Коррозия процесінің негіздері: электрохимиялық реакциялар
Табиғаттағы металдардың коррозиясының көп бөлігі электрохимиялық механизмдер арқылы жүреді. Металл беттерінде құрамдық айырмашылықтар, қалдық кернеулер немесе басқа металдармен жанасу арқылы пайда болған микроанод және катод аймақтары болады. Анодта металл тотығуға (электрондарды босатуға) ұшырайды және иондар түрінде ериді:
M → Mⁿ⁺ + ne⁻
Шығарылған электрондар катод аймағына ағып, тотықсыздану реакцияларында, мысалы, бейтарап ерітіндідегі оттегінің тотықсыздануында қолданылады:
O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
Электролиттердің (иондары бар су), оттегінің және белгілі бір қоршаған орта жағдайларының болуы бұл реакциялар сериясының қаншалықты жылдам жүретінін анықтайды. Міне, сондықтан металдар құрғақ ауада ұзағырақ сақталады, ал ылғалды ортада немесе теңіз суында тезірек ыдырайды.
1. Ылғалдылық және судың болуы
Коррозияның ең басым қоршаған орта факторы - су. Су металл бетінде электролит қабатының пайда болуына мүмкіндік береді, бұл иондардың қозғалуына және электрохимиялық реакциялардың жүруіне мүмкіндік береді. Өте құрғақ ауада коррозия жылдамдығы баяу болады, себебі ион өткізгіш орта жоқ.
Салыстырмалы ылғалдылық көбінесе маңызды параметр болып табылады. Белгілі бір ылғалдылық деңгейлерінде — әдетте көптеген атмосфералық жағдайлар үшін шамамен 60-70%-дан жоғары — металл беттері коррозияны бастауға жеткілікті жұқа су қабықшасын түзуі мүмкін. Түнгі конденсация, шық немесе құбырлар мен резервуарлардың терлеуіне әкелетін температура айырмашылықтары да агрессивті ылғалды-құрғақ циклді жасау арқылы коррозияны жеделдетеді.
Сулы-құрғақ циклдар қауіпті, себебі беті құрғаған сайын еріген тұздар немесе ластаушы заттар концентрацияланады, бұл қалған суды өткізгіштігін арттырады және реакцияны жеделдетеді. Қайтадан суланған кезде иондар еріп, шабуыл аймағын кеңейтеді.
2. Еріген оттегі және дифференциалды аэрация
Коррозияның көптеген жағдайларында оттегі катодтық реакцияның негізгі қозғаушы күші болып табылады. Жоғары оттегілі орта коррозияны жеделдетуге бейім, бірақ ерекшеліктер бар: алюминий және тот баспайтын болат сияқты кейбір металдар оттегімен қаныққан жағдайда тұрақты және сондықтан төзімді пассивті қабат (жұқа оксид) түзе алады.
Тағы бір маңызды мәселе - дифференциалды аэрация, бұл әртүрлі аймақтардағы оттегі деңгейінің айырмашылығы. Мысалы, шөгінділермен, балшықпен немесе жарықтармен жабылған металл бөлшектерде оттегі деңгейі ашық аймақтарға қарағанда төмен. Бұл айырмашылық коррозия жасушасын тудырады: оттегі жетіспейтін аймақ анодқа айналады және тезірек ериді. Сондықтан, тығыздағыштардың, болтталған қосылыстардың, жартылай боялған бөлшектердің немесе лас жерлердің астында коррозия жиі қатты болады.
3. Қоршаған орта температурасы
Жалпы алғанда, температураның жоғарылауы химиялық және электрохимиялық реакциялардың жылдамдығын арттырады, сондықтан коррозия жоғары температурада жеделдеуге бейім. Қазандықтар, бу құбырлары немесе мұнай өңдеу зауыттары сияқты өнеркәсіптік ортада температура иондардың диффузиясын жеделдетіп, қорғаныш жабындарын зақымдауы мүмкін.
Дегенмен, температураның әсері әрқашан сызықтық бола бермейді. Суда температура жоғарылаған сайын оттегінің ерігіштігі төмендейді. Бұл белгілі бір жүйелерде температураның жоғарылауы еріген оттегіні азайтуы мүмкін екенін білдіреді, бірақ реакцияны жеделдету әсері әдетте басым болып қалады, әсіресе сұйықтық ағыны мен оттегімен қамтамасыз ету сақталған кезде.
Сонымен қатар, температура конденсацияның пайда болуында маңызды рөл атқарады. Ылғалды ауада суық сұйықтықтарды тасымалдайтын құбырлар сыртқы бетінде суды конденсациялайды, бұл атмосфералық коррозия үшін тамаша жағдайлар жасайды.
4. рН: Қышқылдық және негіздік
Қышқылдық дәрежесі (рН) коррозия өнімдерінің тұрақтылығына және катодтық реакцияның басым түріне әсер етеді. Қышқыл ортада (рН төмен) ең көп таралған тотықсыздану реакциясы - сутегі иондарының сутегі газына дейін тотықсыздануы:
2H⁺ + 2e⁻ → H₂
Бұл көптеген металдарда, әсіресе көміртекті болатта коррозияны жеделдетуі мүмкін. Жоғары қышқылдық жағдайында қорғаныш оксиді қабаты еріп, металл бетін ашық қалдырады.
Сілтілік ортада кейбір металдар салыстырмалы түрде тұрақты оксид/гидроксид қабатының пайда болуына байланысты төзімдірек болуы мүмкін. Дегенмен, берік негіздер материалдың түріне және құрамындағы иондарға байланысты белгілі бір металдарға шабуыл жасап, пассивті қабатты зақымдауы мүмкін.
5. Тұз және хлорид иондары: теңіз ортасындағы негізгі жаулар
Теңіз суы мен жағалау ортасы коррозияға бейім, ең алдымен олардың хлорид (Cl⁻) құрамына байланысты. Хлорид иондары ерітіндінің өткізгіштігін арттырады, коррозия тогын арттырады. Ең бастысы, хлорид тот баспайтын болат пен алюминийдегі пассивті қабатқа еніп немесе оны зақымдап, шұңқырлы коррозияны тудыруы мүмкін, бұл қауіпті, себебі ол жергілікті жерде пайда болады, бірақ материалдың қалыңдығына көрінетін, біркелкі зақым келтірмей еніп кетуі мүмкін.
Жағалаудағы аймақтарда тек тікелей теңіз суы ғана емес, сонымен қатар құрылымдық беттерге жабысатын желмен таралатын тұз аэрозольдері де қауіпті. Ылғалдылық жоғарылаған кезде тұздар еріп, концентрацияланған электролиттерді түзеді, бұл атмосфералық коррозияны жеделдетеді.
6. Ауаны ластаушы заттар: SO₂, NOₓ және атмосфералық коррозия
Өнеркәсіптік немесе қалалық жерлерде күкірт диоксиді (SO₂) және азот оксидтері (NOₓ) сияқты ластаушы заттар суда (шық немесе жаңбыр) еріп, қышқылдар (мысалы, күкірт қышқылы және азот қышқылы) түзуі мүмкін. Бұл металл беттеріндегі су қабықшасының рН мәнін төмендетеді және коррозия жылдамдығын арттырады. Қышқыл жаңбыр - көпірлердің, қоршаулардың, көліктердің және металл ғимараттардың тозуын жеделдететін экстремалды мысал.
Өнеркәсіптік шаң бөлшектері металл беттерінде ылғалды ұстап, үнемі ылғалды және иондарға бай «микроортаны» құра алады, бұл шөгінділердің астындағы коррозия шабуылдарын күшейтеді.
7. Ағын жылдамдығы және эрозия-коррозия
Құбыр жүйелерінде жылдам ағатын сұйықтықтар механикалық эрозия мен коррозияның үйлесімі болып табылатын эрозия-коррозияны тудыруы мүмкін. Турбулентті ағын, ағын бағытының өзгеруі және клапандардың, шынтақтардың және сорғылардың жанындағы аймақтар көбінесе осал нүктелер болып табылады. Жылдам ағын қорғаныс қабықшаларын немесе коррозия өнімдерін алып тастауы мүмкін, бұл басқа жағдайда шабуылды тежейді, бұл металды үздіксіз ашық қалдырады.
8. Микроорганизмдер: Биологиялық белсенділіктің әсерінен болатын коррозия
Қоршаған ортаға биологиялық факторлар да кіреді. Микробиологиялық әсер ететін коррозия (MIC) сульфатты тотықсыздандыратын бактериялар (SRB) сияқты микроорганизмдер металл бетінің жергілікті химиясына әсер еткенде, мысалы, H₂S өндіру, рН мәнін өзгерту немесе биоүлбірдің астында электрохимиялық жасуша жасау арқылы пайда болады. MIC көбінесе жер асты құбырларында, сақтау цистерналарында, салқындату жүйелерінде және теңіз қондырғыларында кездеседі және тез, анықтау қиын шұңқырлардың пайда болуына әкелуі мүмкін.
Қоршаған орта факторларына негізделген бақылау стратегиясы
Қоршаған орта өте маңызды болғандықтан, коррозияның алдын алу стратегиялары әдетте қоршаған орта жағдайларын өзгертуге немесе металл бетін қорғауға бағытталған, соның ішінде:
1. Металды судан, оттегіден және агрессивті иондардан оқшаулау үшін жабынмен жабу және бояу.
2. Негізгі металдағы тотығу реакцияларын басу үшін катодтық қорғаныс (құрбандық анод немесе мәжбүрлі ток).
3. Тиісті материалдарды таңдау: мысалы, хлоридті ортаға арналған белгілі бір тот баспайтын болаттарды мұқият таңдау керек.
4. Судың тоқырауы немесе ұзақ уақыт бойы конденсация болмауы үшін ылғалдылық пен дренажды бақылаңыз.
5. Салқындатқыш су немесе қазандықтар сияқты тұйық жүйелердегі коррозия ингибиторы.
6. Тар саңылауларды, шөгінділердің жиналуын және тоқырау аймақтарын болдырмау үшін жақсы дизайн.
7. Тазалау, биоцид және мониторинг арқылы микробиологиялық бақылау.
Жабу
Металл коррозиясы бір ғана оқиға емес, керісінше материал мен оның қоршаған ортасы арасындағы күрделі өзара әрекеттесудің нәтижесі. Ылғалдылық, оттегі, температура, рН, хлорид тұздары, ауа ластаушы заттары, ағын жылдамдығы және тіпті микробтық белсенділік коррозия шабуылының түрін жеделдетуі немесе өзгертуі мүмкін. Қоршаған ортаның әсерін түсіну бізге осал аймақтарды болжауға, тиісті материалдарды таңдауға және тиімді қорғауды жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Дұрыс тәсілмен коррозиядан болатын шығындарды - шығындарды да, қауіпсіздік тәуекелдерін де - айтарлықтай азайтуға, ал металл конструкциялар мен жабдықтардың қызмет ету мерзімін ұзартуға болады.
