Защита конструкций от коррозии: теоретические основы

1.1 Введение

Коррозия или разъедание является физико-химической реакцией с окружающей средой, под влиянием которой свойства металла изменяются, что ведет к повреждению металла, окружающей его среды или технической системы.

Ржавчина является следствием изменившей изделие коррозионной реакции железа или стали.

Коррозионное повреждение — это такое изменение в подвергающейся коррозии системе, которое вызывается коррозией и рассматривается как вредное для металла, его окружающей среды или той технической системы, к которой они принадлежат.

Корродирующая система состоит из одного или нескольких металлических компонентов и всех компонентов окружающей среды, которые вызывают разъедание. Частью окружающей среды могут быть шпатлевка, поверхностный слой, электрод и так далее.

Профилактика коррозии или антикоррозионная защита — это такое изменение подвергающейся коррозии системы, которое замедляет коррозионное повреждение или препятствует ему.

Антикоррозионная окраска — это антикоррозионная защита металлической поверхности при помощи антикоррозионной краски.

Таблица 1: Функциональные параметры покрытий – примеры.

1.2 Основные предпосылки для коррозии.

Для того чтобы лучше понять, каким образом при помощи окраски можно защитить сталь от коррозии, нужно познакомиться с четырьмя основными элементами процесса коррозии. Они таковы:

·         Катод, или электрод, на котором происходит катодная реакция;

·         Анод, или электрод, на котором происходит анодная реакция;

·         Проводник электронов;

·         Проводник ионов.

Проводник электронов — это металл, проводящий электрический ток. Проводник ионов — это проводящая электрический ток жидкость или электролит. Электроды, или анод и катод, являются электронными проводниками, которые соприкасаются с проводниками ионов. В проводнике ионов или электролите при известном соотношении на них возникает соответствующий электродный потенциал или электродное напряжение. Когда электроды соприкасаются между собой, то разность между электродными потенциалами действует как возбудитель коррозионной реакции. Образуется коррозионная пара, в которой один из электродов (анод) является разъедающим металл.

Коррозия металла или разъедание происходит следующим образом. Атом металла, растворяясь в электролите, на аноде электрически повреждается и выделяет ионную частицу. Одновременно происходит освобождение электронов, которые проходят сквозь металл (проводник электронов) на катод. Это и есть так называемая анодная реакция, при которой положительные заряды из металла переходят в раствор, и происходит процесс окисления, который можно изобразить в письменном виде так:

Анодная реакция: Меа Меn+ nе-

Если речь идет о железе (стали), то можно написать так:

Fе (железо) а Fе2+ (ион железа) + 2е- (электрон)

На катоде электроны вступают в реакцию с кислородом (О2) и водой (Н2О) электролита. В так называемой катодной реакции отрицательный заряд переходит из металла в электролит. Катодная реакция является процессом очищения. Когда речь идет о железе, катодную реакцию можно изобразить таким образом:

Катодная реакция: 2е- + 1/2O2  Н2Оa 20Н-  (ион гидрооксида)

В электролите ионы железа и гидрооксида вступают в реакцию между собой так, образуя гидрооксид закиси железа:

Электролитическая реакция: Fе2+ 20Н-а Fе(ОН)2 (гидрооксид закиси железа)

Гидроксид закиси железа далее вступает в реакцию с водой и кислородом, в результате чего образуется продукт коррозии железа или ржавчина (Fе2 Оз nН2О).

При действии коррозионной пары электродные реакции вызывают коррозионный ток, который производит коррозию или разъедание. Если такой коррозионный ток можно "выключить" в любой точке коррозионной пары, то коррозия прекратится.

Иллюстрация 1: Принцип действия коррозионной пары.

На поверхности стали всегда присутствуют по меньшей мере три из четырех элементов процесса коррозии: анод, катод и проводник электронов (металл). В качестве электролита, выступает вода. Водяной пар, содержащийся в воздухе, покрывает поверхность металла тонкой водяной пленкой. Но основное значение для коррозии имеет момент начала превращения (конденсация) пара в жидкость. На гладких поверхностях это происходит при достижении 100% относительной влажности воздуха, например, при снижении температуры до точки росы.

На неочищенных поверхностях конденсация может происходить и раньше. Такую величину относительной влажности воздуха, при которой на поверхности металла образуется разъедающая пленка жидкости, называют критической влажностью. Критическая влажность воздуха для коррозии стали составляет в среднем 60–70%.

Обычный способ замедлить коррозию — это изолировать поверхность металла от электролита, то есть от влаги. У антикоррозионных лакокрасочных покрытий имеются и другие механизмы замедления коррозии.

1.3 Защита поверхностей от коррозии при помощи красок.

Все меры антикоррозионной защиты направлены на то, чтобы воспрепятствовать образованию коррозионных пар или ослабить их действие. Важнейшим способом антикоррозионной защиты является окраска поверхности металлов, которую называют антикоррозионной окраской. Исследуя способ антикоррозионной защиты при помощи красок, можно получить наилучшую картину того, каким образом пленка из красок влияет на часть коррозионного процесса.

1.3.1 Способы прекращения анодной реакции.

Для прекращения анодной реакции необходимо воспрепятствовать растворению ионов металла на аноде. Это достигается при помощи образования в зонах анода защитного слоя, или катодной защиты.

Замедление скорости коррозии путем образования искусственного продукта коррозии называется пассивизацией. Для окраски деталей, подвергающихся атмосферному воздействию, в красках используют антикоррозионные пигменты, которые действуют как пассивизаторы. Эти пигменты создают на поверхности анода защитные слои, которые замедляют растворение ионов металла в электролите. В качестве антикоррозионных пигментов применяются в числе прочих свинцовый сурик (закись-окись свинца), ортофосфат цинка и метаборат бария, которые, проникая с водой через пленку краски, образуют в анодных областях защитные слои. Кроме того, в водно-дисперсионных красках для защиты от ржавления во время малярных работ, или вскоре после окраски, применяются коррозионные ингибиторы.

Катодная защита означает снижение коррозионного потенциала электрохимическим путем. Слой краски обладает катодными защитными свойствами, если содержит достаточное количество цинковой пыли. При этом частицы цинкового пигмента выступают в роли проводника электрического тока, соприкасаясь с основой и между собой. В коррозионной среде цинком жертвуют ради сохранения стали.

1.3.2 Способы прекращения катодной реакции.

Для прекращения катодной реакции необходимо воспрепятствовать проникновению воды и кислорода на поверхность металла. Получаемый путем окраски защитный слой обычно входит в состав тонкой органической шпатлевки. Пленка работает и применяется как проницаемая или полупроницаемая пленка. Пленка в воде набухает больше или меньше и пропускает через себя воду и кислород, если коррозионную реакцию нельзя остановить путем простой изоляции.

Некоторые антикоррозионные пигменты могут образовывать защитные слои в катодных зонах, где они действуют в качестве катодных ингибиторов, замедляя процесс выделения электронов из металла.

1.3.3 Резист-ингибирование.

Коррозионный ток от действующей коррозионной пары, или ток, вызванный электродной реакцией, проходит сквозь электролит при помощи ионов. Многие лакокрасочные пленки являются трудно проницаемыми для ионов, вследствие чего электрическое сопротивление становится большим, а коррозионный ток уменьшается. Такой способ антикоррозионной защиты называют резист-ингибированием. Резист-ингибирующие краски производятся из самых устойчивых связующих веществ. Химически отвердевающие эпоксидные краски и эпоксидные смолы являются типичными резист-ингибирующими красками. Чтобы коррозионный процесс не смог начаться под слоем краски, на подготовку поверхности и адгезию краски с основой обращают особое внимание.

1.3.4 Выводы.

Коррозии можно воспрепятствовать или замедлить ее путем нанесения на поверхность, которая требует антикоррозионной защиты:

·         антикоррозионной краски, содержащей антикоррозионные пигменты, которые останавливают анодные или катодные реакции;

·         слоя краски, электрическое сопротивление которого достаточно велико для того, чтобы воспрепятствовать прохождению ионного тока.

1.3.5 Основные предпосылки для оптимальной антикоррозионной защиты.

Основные предпосылки для оптимальной антикоррозионной защиты с помощью лакокрасочных покрытий:

·         правильное с точки зрения антикоррозионной защиты расположение (изготовление конструкции);

·         определение подходящей антикоррозионной системы;

·         требуемая подготовка поверхности (удаление ржавчины, окалины);

·         квалифицированное нанесение покрытий;

·         получение или создание внешних условий, предотвращающих повреждение покрытия;

·         достаточная толщина покрытия.

Для достижения высокоэффективной антикоррозионной защиты объектов необходимо, в первую очередь, тщательно проанализировать методы подготовки поверхности и нанесения лакокрасочных покрытий. При выборе систем окраски следует принимать во внимание влияние атмосферных условий, химикатов, растворителей, влияние среды, в которую погружается объект, а также абразивное воздействие и влияние высоких температур. Опыт работы ООО «БАСА» для нужд различных отраслей промышленности гарантирует правильное решение при выборе метода нанесения. Основными объектами антикоррозионной защиты в промышленности являются энергетические предприятия, ветроэнергетические установки, трубопроводы, оборудование химической промышленности, общественные сооружения и дома, транспортное оборудование, мосты, подъемные механизмы, портовые сооружения и объекты тяжелого машиностроения. Помимо опыта в разработке и применении традиционных красок на основе растворителей и без растворителей, получены прекрасные результаты, подтвержденные многолетними испытаниями, по применению вводно-дисперсионных акрилатных, эпоксидных и полиуретановых красок для защиты стальных конструкций и механизмов. Высокие требования предъявляются как при разработке самих красок, так и различных схем окраски.