Оттегі және металл коррозиясы
Металл коррозиясы дегеніміз не?
Металл коррозиясы - металл мен оның қоршаған ортасы арасындағы химиялық немесе электрохимиялық реакцияларға байланысты металл құрылымының біртіндеп бұзылуы процесі. Коррозияның негізгі себебі - металдың тұрақты химиялық түрге жетуге бейімділігі, бұл оның оксидтер, сульфидтер немесе гидроксидтер сияқты қосылыстарға айналуына әкеледі. Ауа мен ылғалға ұшыраған металдар жағдайында коррозия электрохимиялық жолмен, оттегі мен судың қатысуымен жүреді.
Бұл процесс әртүрлі қоршаған орта жағдайларында — ылғалды ауадан теңіз ортасына және топыраққа дейін жүруі мүмкін. Болаттың тот басуы сияқты коррозия өнімдері эстетиканы нашарлатып қана қоймай, материалдың механикалық беріктігін де төмендетеді. Нәтижесінде коррозия құрылымдық және құрал-саймандардың істен шығуына әкелуі мүмкін, бұл алдын алу шараларын қажет етеді.
Коррозияның өнеркәсіптегі және күнделікті өмірдегі маңызы
Коррозия өнеркәсіптік ауқымда да, күнделікті өмірде де өте маңызды. Өнеркәсіпте ол инфрақұрылымның бұзылуын, техниканың істен шығуын және тіпті құрылыс апаттарын қоса алғанда, айтарлықтай экономикалық шығындарға әкеледі. Күнделікті өмірде ол құралдардың тот басуы, сәндік элементтердің тозуы және ас үй құрылғыларының коррозиясы сияқты құбылыстарда көрінеді.
Мысалы, энергетика саласында құбырлар мен резервуарлардың коррозиясы ағып кетулерге әкелуі мүмкін, бұл тек жөндеу шығындарын ғана емес, сонымен қатар қоршаған ортаға қауіп төндіреді. Көлік инфрақұрылымында көпірлер мен көліктердің коррозиясы пайдаланушылардың қауіпсіздігіне әсер етеді. Сондықтан, қорғаныш жабындарын, коррозияға төзімді материалдарды пайдалану және үнемі техникалық қызмет көрсету арқылы коррозияның алдын алу өте маңызды.
Оттегінің коррозияның негізгі факторларының бірі ретіндегі рөлі
Оттегі электрохимиялық коррозия процестерінде маңызды рөл атқарады. Оның қоршаған ортада болуы электрохимиялық коррозия тізбегінің маңызды бөлігі болып табылатын катодтық реакцияларды жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Болат жағдайында бұл процесс келесідей жұмыс істейді:
- Металл электрондарды береді (анодтық реакция), нәтижесінде металл иондары пайда болады.
- Электрондар катод аймағына ағады, онда оттегінің тотықсыздануы гидроксидтердің түзілуіне әкеледі.
Ылғалды ортада оттегі коррозия процестерін күшейтеді, себебі су электролит ретінде әрекет етеді, электр зарядтарының ағынын жеделдетеді. Бұл тот (Fe₂O₃ nH₂O) сияқты оксидтердің пайда болуына әкеледі, бұл болат жағдайында материалды одан әрі ыдыраудан қорғамайды.
Оттегіге қол жеткізу, әсіресе ылғалмен бірге, коррозияның ауырлығын анықтауда маңызды фактор болып табылады. Сондықтан коррозияның алдын алу стратегияларына оттегіге қол жеткізуді шектейтін әдістер, мысалы, капсуляция, ингибиторларды пайдалану және оттегіге төзімділігі жоғары материалдарды пайдалану кіреді.
Оттегінің қатысуымен коррозия механизмдері
- Химиялық процестер
Оттегінің қатысуымен металдардың тотығуы
Металлдың тотығуы - металл оттегімен әрекеттесіп, химиялық қосылыстар, көбінесе оксидтер түзетін химиялық процесс. Бұл реакция металл электрондарын жоғалтып, оң ионға айналатын және оттегі бұл электрондарды қабылдап, оксидтер түзетін қарапайым химиялық процесс. Мысал ретінде темірдің оттегімен реакциясын келтіруге болады, бұл темір (III) оксидінің түзілуіне әкеледі:
4Fe + 3O2 → 2Fe2O3
Бұл процесс әсіресе ылғалдылық пен температура жоғары ортада қарқынды жүреді, бұл оттегінің химиялық белсенділігіне ықпал етеді.
Бетінде металл оксидтерінің түзілуі
Металл тотығу өнімдері - оксидтер, олар металл түріне байланысты әртүрлі рөл атқара алады:
- Қорғаныш оксидтеріАлюминий сияқты металдардың бетінде алюминий оксидінің (Al₂O₃) жұқа, тығыз қабаты пайда болады, бұл металды одан әрі коррозиядан тиімді қорғайды.
- Қорғаныс емес оксидтерБолатта тот деп аталатын темір оксиді (Fe₂O₃) кеуекті құрылымға ие және одан әрі тотығуға кедергі келтірмейді.
Алынған оксидтің қасиеттері металдың химиялық құрамына және қоршаған орта жағдайларына, мысалы, ылғалдың немесе температураның болуына байланысты.
- Электрохимиялық процестер
Электрохимиялық коррозия және катодтық реакциялардағы оттегінің рөлі
Электрохимиялық коррозия - металл электролиттің (мысалы, судың) қатысуымен гальваникалық элемент түзетін процесс. Бұл механизмде оттегі катодтық реакцияларда маңызды рөл атқарады, мұнда оттегінің тотықсыздануы гидроксидтердің түзілуіне әкеледі, олар одан әрі коррозия процесіне қатысады. Сулы ортадағы катодтық реакция келесідей жүреді:
O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
Алынған гидроксид иондары анодтық реакциядан металл иондарымен әрекеттеседі, бұл оксидтер мен гидроксидтер сияқты коррозия өнімдерінің түзілуіне әкеледі.
Сулы ортадағы анодтық және катодтық реакциялар
Электрохимиялық коррозия процесінде екі негізгі реакция қатысады:
- Анодтық реакция: Металл электрондарын жоғалтып, иондық күйге өтеді:
M → Mⁿ⁺ + ne⁻
- Катодтық реакция: Оттегі су болған кезде ол электрондарды қабылдап, гидроксидтер түзеді:
O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂O
Бұл реакциялар металл бетінде микроскопиялық тұрғыдан әртүрлі жерлерде жүріп, анодтық және катодтық аймақтарды құрауы мүмкін, бұл коррозия процесін күшейтеді.
- Тотығуға қолайлы жағдайлар
Ауа ылғалдылығы
Ылғалдылық оттегі болған кезде коррозияның ауырлығына әсер ететін негізгі фактор болып табылады. Су электролит ретінде әрекет етеді, иондардың ағып кетуіне мүмкіндік береді және электрохимиялық реакцияларды күшейтеді. Металл бетіндегі ылғалдың жұқа қабаты да коррозия процесін бастауы мүмкін, әсіресе оттегі концентрациясы жоғары ортада.
Температура
Жоғары температура химиялық және электрохимиялық реакцияларды жеделдетеді, металлдың тотығу жылдамдығын арттырады. Алюминий сияқты кейбір металдар үшін жоғары температура қорғаныш оксид қабаттарының пайда болуына ықпал етеді, бірақ болатта олар кеуекті тоттың тезірек пайда болуына әкелуі мүмкін.
Қоршаған ортадағы оттегі концентрациясы
Қоршаған ортадағы оттегінің концентрациясы неғұрлым жоғары болса, тотығу процестері соғұрлым қарқынды жүреді. Оттегі шектеулі жабық ортада коррозия баяу жүруі мүмкін, ал ашық, оттегіге бай ортада коррозия реакциялары қарқындырақ жүреді.
Оттегі тудыратын коррозия түрлері
Атмосфералық коррозия
Атмосфералық коррозия - ауадағы ылғал мен оттегінің әсерінен металл беттерінде жүретін химиялық және электрохимиялық процесс. Бұл коррозияның ең көп таралған түрлерінің бірі, әсіресе ылғалдылығы мен температурасы өзгеретін ортада.
- Темір мен болатта тоттың пайда болуыБетіндегі оттегі мен ылғал арасындағы химиялық реакциялардың нәтижесінде želaza Тот, яғни гидратталған темір оксиді (Fe₂O₃ xH₂O) түзіледі. Бұл процесс қоршаған ортаның қышқылдығын арттыратын күкірт диоксиді немесе хлоридтер сияқты ластаушы заттардың болуымен жеделдейді.
- Пассивті оксид қабаттарының маңыздылығыКейбір металдар, мысалы алюминий немесе тот баспайтын болат, коррозиядан қорғайтын жұқа пассивті қабаттар (металл оксидтері) түзеді. Бұл оксидтер ауа өткізбейді және металдың оттегімен және ылғалмен жанасуына жол бермейді.
Су коррозиясы
Су коррозиясы тұщы су, теңіз суы немесе жаңбыр суы сияқты сулы ортада пайда болады. Су электролит ретінде әрекет етеді, иондардың ағып кетуіне мүмкіндік береді, бұл электрохимиялық процестерді жеделдетеді.
- Су ортасындағы коррозия механизмдеріКоррозия теңіз суында хлорид мөлшерінің жоғары болуына байланысты әсіресе қарқынды жүреді. Бұл иондар оксидтер мен бояу жабындары сияқты қорғаныш металл қабаттарының бұзылуына ықпал етеді. Су ортасында H⁺ иондарының болуы да маңызды рөл атқарады, рН деңгейін төмендетеді, коррозия процесін күшейтеді.
- Коррозия процестерінің күшеюіндегі оттегінің рөліСуда еріген оттегі анодтық және катодтық реакцияларды жеделдетеді, бұл металдардың тотығуын тездетеді. Анаэробты ортада коррозия баяу жүреді, бірақ сульфат бактериялары тудыруы мүмкін.
Жоғары температуралы коррозия
Жоғары температуралы коррозия - металдарға жоғары температурада, әдетте 500°C-тан жоғары температурада оттегі әсер еткенде пайда болатын процесс. Мұндай жағдайларда әртүрлі құрылымдар мен тұрақтылыққа ие металл оксидтері түзіледі.
- Металдардың жоғары температурада тотығуыЖоғары температура металдардың бетін жабатын оксидтердің тез түзілуіне ықпал етеді. Бұл процесс көбінесе энергетика және аэроғарыш салаларында байқалады.
- Металл беттерінде қақтың пайда болуыҚабыршақтар – әртүрлі металл оксидтерінен тұратын көп қабатты коррозия өнімдері. Егер олар тығыз болса және бетіне жақсы жабысса, қорғаныс қызметін атқара алады. Әйтпесе, қабыршақтың жарылуы немесе қабыршақтануы коррозияның одан әрі дамуына және материалдың тозуына әкеледі.
Жоғарыда аталған оттегі тудыратын коррозия түрлерінің әрқайсысы қорғаныс жабындарын, коррозия ингибиторларын немесе оттегіге төзімді материалдарды пайдалану сияқты тиісті қорғаныс шараларын қажет етеді.
Металдар және олардың оттегі коррозиясына төзімділігі
Оттегі коррозиясына төзімділігі төмен, тез коррозияға ұшырайтын металдар
Оттегі коррозиясына төзімділігі төмен металдар оттегі болған кезде тотығуға өте сезімтал, бұл олардың механикалық және эстетикалық қасиеттерінің тез нашарлауына әкеледі. Бұл топқа негізінен өнеркәсіпте жиі қолданылатын металдар мен қорытпалар кіреді.
- Темір және көміртекті болат:
Темір және оның көміртекті қорытпалары, әсіресе ылғалды ортада, оттегі коррозиясына өте сезімтал. Оттегі мен судың қатысуымен тот (гидратталған темір оксиді) пайда болады. Бұл тот қорғаныс қызметін атқармайды және оңай қабыршақтанып, жаңа металды ашық қалдырады. Тоттың пайда болуы көпірлер, ғимараттар және машина компоненттері сияқты болат конструкцияларының тез тозуына ықпал етеді. - Мырыш және оның тез тотығуы:
Мырыш мырыштау процесінде қорғаныс жабыны ретінде жиі қолданылғанымен, оның өзі тотығуға бейім. Ол қолайлы жағдайларда қорғаныс қамтамасыз ете алатын мырыш оксидін (ZnO) түзеді. Дегенмен, көмірқышқыл газы мен ылғал болған кезде мырыш карбонаты түзіліп, қорғаныс қабатын әлсіретеді және коррозия жылдамдығын арттырады.
Қорғаныш қабаты бар металдар
Кейбір металдар беттерінде табиғи немесе жасанды қорғаныс қабаттарын түзеді, бұл оларға оттегінің әсеріне тиімді қарсы тұруға мүмкіндік береді. Бұл қабаттар зақымданғаннан кейін пассивті немесе белсенді түрде қалпына келуі мүмкін.
- алюминий және оның табиғи оксид қабаты:
Алюминий жұқа, бірақ тығыз алюминий оксидінің (Al₂O₃) қабатының тез түзілуіне байланысты жоғары коррозияға төзімділік көрсетеді. Бұл қабат металл мен оттегі мен судың одан әрі жанасуына жол бермейтін тосқауыл ретінде қызмет етеді. Бұл алюминийді құрылыста, аэроғарыш өнеркәсібінде және қаптамада қолдануға жарамды етеді. - Chrom тот баспайтын болаттардан жасалған:
Тот баспайтын болаттарда хромның болуы (кемінде 10,5%) олардың бетінде жұқа хром оксидінің (Cr₂O₃) қабатының пайда болуына әкеледі. Бұл қабат өздігінен жаңартылады және жоғары ылғалдылық пен химиялық заттардың әсерін қоса алғанда, әртүрлі ортада коррозияға өте төзімді. Бұл қасиет... тот баспайтын болаттар медициналық жабдықтарды өндіруде, өнеркәсіптік қондырғыларда және ас үйде кеңінен қолданылады.
Бағалы металдар
Бағалы металдар химиялық тұрақтылығынан туындайтын оттегіге ерекше төзімділігімен ерекшеленеді. Бұл оларды ең қиын орталарда қолдануға мүмкіндік береді.
- Алтын және күміс – тотығуға төзімділік:
Алтын оттегі коррозиясына толығымен дерлік төзімді. Ол бөлме температурасында да, жоғары температурада да оттегімен әрекеттеспейді, бұл оны ең тұрақты металдардың біріне айналдырады. Күміс оттегіге төзімді, бірақ күкірт қосылыстары болған кезде ол күміс сульфидтерін түзе алады, бұл оның қара түске айналуына әкелуі мүмкін. - Оттегі ортасындағы бағалы металдардың ерекше қасиеттері:
Платина, палладий және басқа да бағалы металдар өте жоғары тотығуға төзімділік көрсетеді. Бұл қасиеттер оларды каталитикалық түрлендіргіштерде, зергерлік бұйымдарда және электроника мен ғарыш өнеркәсібі сияқты озық өнеркәсіптік технологияларда пайдалы етеді.
Оттегі коррозиясының қарқындылығына әсер ететін факторлар
Металлдың химиялық құрамы
Металлдың химиялық құрамы оның оттегі коррозиясына төзімділігінде маңызды рөл атқарады.
- Таза металдар: Темір, мырыш немесе мыс әсіресе ылғал мен қоршаған ортаның ластаушы заттары болған кезде тотығуға бейім.
- Коррозияға төзімді қорытпаларҚұрамында хром немесе басқа да металдар бар тот баспайтын болат сияқты металдар никель, өздігінен жаңартылатын қорғаныс қабаттарының (мысалы, оксид) пайда болуына байланысты жоғары қарсылық көрсетеді хром).
Қоршаған ортада ластаушы заттардың болуы
- Оксидтер күкірт i азот:
SO₂ және NOₓ сияқты газ тәрізді ластаушы заттар қышқыл жаңбырдың пайда болуына ықпал етеді, бұл коррозия процестерін күшейтеді. Олардың қатысуымен қорғаныш металл қабаттары, әсіресе өнеркәсіптік ортада, тезірек тозады. - Органикалық және минералды ластаушылар:
Шаң, шөгінділер және хлоридтер сияқты минералды тұздар теңіз ортасында әсіресе агрессивті. Олар қорғаныш қабаттарын әлсіретіп, металдың тотығуын жеделдетіп, жергілікті коррозияға (мысалы, шұңқырлардың пайда болуына) әкелуі мүмкін.
Қоршаған орта жағдайлары
- Ылғалдылық деңгейі:
Коррозия жоғары ылғалдылық жағдайында металл бетінде электролит ретінде әрекет ететін су қабықшасы пайда болған кезде тезірек жүреді. 70%-дан жоғары салыстырмалы ылғалдылық электрохимиялық процестердің дамуына ерекше қолайлы. - Мұздату-еріту циклдары:
Температураның өзгеруі металдардың микрожарықтарында судың кеңеюіне және жиырылуына әкеледі, бұл олардың беттерінің механикалық зақымдануына және коррозияның күшеюіне әкеледі. - Оттегінің парциалды қысымы:
Қоршаған ортадағы оттегінің жоғары концентрациясы, әсіресе жоғары температурада, тотығу жылдамдығын арттырады. Бұл құбылыс әсіресе жоғары температуралы коррозия сияқты өнеркәсіптік процестерде маңызды.
Оттегі тудыратын коррозиядан қорғау
Пассивация әдістері
Пассивация металл бетінде оны оттегі мен ылғалдың одан әрі әсерінен қорғайтын табиғи немесе жасанды қорғаныс қабаттарын жасауды қамтиды.
- Оксид қабаттарының түзілуі:
Алюминий және титан сияқты металдар қорғаныс тосқауылы ретінде әрекет ететін жұқа, бірақ берік оксид қабаттарын түзеді, бұл олардың беттерін одан әрі коррозияға төзімді етеді. - Хромдау және мырыштау:
Хромдау және мырыштау сияқты процестер қорғаныс сыртқы қабаттарын жасайды. Хром берік хром оксиді қабатын жасайды, ал мырыш мырыштау процесінде болатты қорғайды, тотығудан қорғайтын жабын жасайды.
Қорғаныш жабындары
Жабындар металл мен оттегі мен ылғал арасындағы тікелей жанасуға жол бермейтін физикалық тосқауыл болып табылады.
- Коррозияға қарсы бояулар:
Коррозияға қарсы пигменттері бар арнайы бояулар металл беттерін қоршаған орта факторларынан қорғайды. Олар құрылыс, теңіз және машина жасау салаларында қолданылады. - Керамикалық және полимерлі жабындар:
Керамикалық жабындар жоғары температураға және химиялық коррозияға төзімді, ал полимерлі жабындар өзгермелі ауа райы жағдайында икемділік пен беріктік береді.
Электрохимиялық әдістер
Бұл әдістер металдың электрохимиялық потенциалдарын өзгертуді қамтиды, бұл оның тотығуға сезімталдығын төмендетеді.
- Катодтық қорғаныс:
Ол қорғалған металды электрохимиялық тізбекте катодқа айналдыруды, тотығу процестерін тежеуді қамтиды. Ол жер асты қондырғыларында, резервуарларда және құбырларда қолданылады. - Коррозия ингибиторларын қолдану:
Коррозиялы ортаға қосылатын ингибиторлар коррозияға жауапты химиялық реакцияларды баяулатады. Олар мұнай, химия және энергетика салаларында кеңінен қолданылады.
Дизайн және материалды таңдау
Коррозияның алдын алу үшін дұрыс материалды таңдау және құрылымдық дизайн маңызды рөл атқарады.
- Коррозияға төзімді металдарды таңдау:
Жұмыс ортасына байланысты коррозияға табиғи түрде төзімді материалдар (мысалы, тот баспайтын болат, алюминий қорытпалары) немесе қорғаныш жабындарымен оңай қорғалатын материалдар таңдалады. - Тиісті жобаларды қолдану:
Құрылымдар ылғал тұзақтарынан аулақ болуы керек және коррозия қаупін азайтатын судың оңай ағуын қамтамасыз етуі керек.
Бұл әдістерді тиісті үйлесіммен қолдану оттегі тудыратын коррозиядан тиімді қорғауды қамтамасыз етеді және материалдар мен құрылымдардың беріктігін ұзартады.
Оттегінің коррозияға әсерінің практикалық мысалдары
Теңіз және мұнай өнеркәсібіндегі коррозия
Теңіз және мұнай өнеркәсібінде оттегінің әсерінен пайда болатын коррозия күрделі мәселе болып табылады, бұл қатал қоршаған орта жағдайларында жұмыс істейтін құрылымдар мен жабдықтардың тозуына әкеледі.
- Кемелер мен бұрғылау платформалары:
Оттегі мен хлоридтерге бай теңіз суы коррозия процесін күшейтеді, әсіресе ауамен және сумен жанасқанда. Катодтық қорғаныс және коррозияға қарсы жабындарды қолдану бұл әсерлерді азайтуға көмектесетін кең таралған тәжірибе болып табылады. - Су асты қайықтарының құбырлары:
Теңіз суындағы оттегі және қысым мен температураның ауытқуы коррозия процестерін жеделдететіндіктен, беріліс құбырлары коррозияға өте сезімтал. Олардың беріктігін сақтау үшін үнемі техникалық қызмет көрсету және коррозия ингибиторларын пайдалану өте маңызды.
Қалалық инфрақұрылымның (көпірлер, құбырлар) коррозиясы
Қалалық инфрақұрылым оттегіге, ылғалға және ауаның ластануына ұшырайды, көбінесе коррозияға ұшырайды, бұл оның қызмет ету мерзімін қысқартады және техникалық қызмет көрсету шығындарын арттырады.
- Болат көпірлер:
Көміртекті болат көпірлер атмосфералық коррозияға ұшырайды. Олардың бетінде пайда болатын тот тірек құрылымын әлсіретеді, бұл ауыр зақымға әкелуі мүмкін. Оларды қорғау үшін коррозияға қарсы бояулар мен мырыш жабындарын пайдалану өте маңызды. - Су және кәріз жүйелері:
Муниципалдық жүйелердегі болат құбырлар ылғалды және химиялық агрессивті ортада тотығуға бейім. Құбырлардың ішінде коррозиялық шөгінділердің пайда болуы олардың өткізу қабілетін төмендетіп, істен шығуына әкелуі мүмкін.
Күнделікті тұрмыстық құрылғылардағы (мысалы, автомобильдердегі) коррозия
Күнделікті тұрмыстық заттар мен көліктер де оттегінің әсерінен коррозияға ұшырайды, бұл олардың сыртқы түріне, функционалдығына және беріктігіне әсер етеді.
- Самоходия:
Металл кузов компоненттері оттегінің, ылғалдың және қысқы жол тұзының әсерінен коррозияға ұшырайды. Мұны болдырмау үшін мырыштау, қорғаныш бояулары және коррозияға қарсы балауыздар қолданылады. - Тұрмыстық техника:
Кір жуғыш машиналар мен тоңазытқыштар сияқты металл компоненттері бар тұрмыстық техника су мен ауаға ұшыраған кезде коррозияға ұшырауы мүмкін. Бояу жабындары және тот баспайтын болат сияқты коррозияға төзімді материалдарды пайдалану зақымдануды болдырмауға көмектеседі.
Зерттеу перспективалары – коррозиядан қорғаудың инновациялық материалдары мен әдістері
Технологиялық жетістіктер коррозиямен күресте жаңа мүмкіндіктер ашуда. Зерттеу перспективаларының қатарында:
- Жаңа материалдарХром, титан немесе никель мөлшері жоғары қорытпалар сияқты коррозияға төзімділігі жоғары металл қорытпаларын әзірлеу.
- Инновациялық жабындарЗақымды өздігінен қалпына келтіретін және өзгермелі қоршаған орта жағдайларына жауап беретін ақылды жабындарды зерттеу.
- НанотехнологияНанобөлшектерді ерекше тығыздық пен беріктікке ие ультра жұқа қорғаныс қабаттарын жасау үшін пайдалану.
- Zielone технологиясыКоррозиядан қорғаудың экологиялық әдістерін, мысалы, биологиялық ыдырайтын коррозия ингибиторларын және табиғи шикізаттан жасалған қорғаныс жабындарын әзірлеу.