Кратко — причины, методы (химические) и оценка их эффективности.
1) Причины коррозии в агрессивных средах (кратко, с реакциями)
- Электрохимическая природа: анодная диссолюция и катодные реакции. Примеры:
- анод: $Fe\to F{e}^{2+}+2e^{-}$,
- катод (окислённая среда): $O_2+2H_{2}O+4e^{-}\to 4O{H}^{-}$,
- катод (кислая среда): $2H^{+}+2e^{-}\to H_2$.
- Агрессивные агенты и механизмы:
- хлориды: нарушают пассивную плёнку (особенно на нержавеющих сталях) → локальная коррозия (pitting, crevice);
- кислые среды ($HCl$, $H_{2}S{O}_4$): ускоряют растворение металла и образование $H_2$;
- сульфиды/H2S: вызывают селективную и щелевую коррозию, образование сульфидов;
- растворённый кислород: ускоряет коррозию железа/сталей;
- микробиологическая коррозия (MIC): метаболиты микроорганизмов (сероводород, органические кислоты) ускоряют процессы;
- гальванические пары и концентрационные ячейки: разность потенциалов или локальные различия состава среды.
2) Химические методы замедления коррозии, механизм и оценка эффективности
- Ингибиторы коррозии (адсорбционные / пассивирующие)
- Типы: анодные (нитриты, фосфаты, хроматы), катодные (соединения висмутa/цинкo-органические редко), смешанные/органические (имидазолины, аминные компоненты, бензотиазолы).
- Механизм: адсорбция на поверхности → барьер/изменение кинетики анодной/катодной реакции; анодные — создают пассивный оксидный слой.
- Примеры и дозы: нитрит для стали в закрытых системах: $[N{O}_2^{-}]\approx 200\text{–}1200\text{ppm}$; бензотриазол для меди: $\approx 0.5\text{–}5\text{mg/L}$; имидазолины в нефте- и водных системах: $\approx 10\text{–}100\text{ppm}$.
- Эффективность: при правильно подобранном ингибиторе снижение скорости коррозии обычно в диапазоне $10-1000\times$ (т.е. оставшийся уровень $0.1\%\text{–}10\%$ от исходного) в зависимости от среды, температуры и концентрации агрессивного агента. Ограничения: чувствительность к температуре, концентрации хлоридов, совместимость с материалом; некоторые (хроматы) токсичны/запрещены.
- Пассивация окислителями / пассиваторами
- Средства: нитриты, хроматы, молибдаты, фосфаты, силикаты.
- Механизм: окисление поверхности → образование тонкой стабильной оксидной плёнки (пример для Cr: $2Cr+\frac{3}{2}{O}_2\to C{r}_2{O}_3$).
- Эффективность: для пассивирующих сталей и углеродистых сталей в подходящей среде — существенное снижение (часто порядок $10-100\times$); в средах с высокой концентрацией хлоридов пассивация может разрушаться.
- Контроль растворённого кислорода (кислородоудаление / окислители)
- Окислители применяют для пассивации; скавенджеры кислорода (натрий сульфит, гидразин, органические антикоррозионные восстановители) удаляют $O_2$.
- Примеры реакций: $N{a}_{2}S{O}_3+\frac{1}{2}{O}_2\to N{a}_{2}S{O}_4$; $N_2{H}_4+O_2\to N_2+2H_{2}O$.
- Эффективность: удаление кислорода резко снижает коррозию аэрообусловленную; снижение скорости — до бо́льших порядков (зависит от степени дегазации). Ограничения: токсичность (гидразин), расход реагента, поддержание дозы.
- Регулирование pH
- Подщелачивание: для стали pH выше $\sim 9$ снижает растворимость Fe и способствует образованию защитных гидроксидов/оксидов; в кислых средах коррозия сильна.
- Эффективность: простое и эффективное для водных систем при условии совместимости материалов; ограничения — отложения, щелочные побочные эффекты, коррозия других материалов (например, алюминий при высоком pH).
- Вещеобразующие/фосфатные/силікатные покрытия в растворе (конверсионные плёнки)
- Фосфатирование, силикатизация создают адгезионный слой перед нанесением покрытий или как самозащитный слой.
- Эффективность: хороши для снижения коррозии в водных циклах и подготовке к окраске; не подходят для экстремальных агрессивных сред без дополнительной защиты.
- Летучие ингибиторы (VCI) и пленкообразующие ингибиторы
- Для закрытых объёмов или хранения: испаряющиеся ингибиторы создают защитную молекулярную плёнку.
- Эффективность: очень хороши для защиты от атмосферной коррозии и хранения (снижение до процентов исходной скорости); не подходят для агрессивных потоков/высоких температур.
- Биоциды против MIC
- Средства: глутаровый альдегид, THPS (триметиленфосфонатные биоциды) и др.
- Эффективность: при правильном режиме дозирования подавляют биоплёнки и MIC; требуют периодической обработки и контроля популяции микроорганизмов.
3) Практическая оценка и выбор метода
- Комбинация методов обычно наиболее эффективна: например, удаление кислорода + ингибитор + поддержание pH + контроль биопленок.
- Ограничения и риски: токсичность (хроматы, гидразин), совместимость с конструкцией и технологией, влияние солёности/температуры/скважинных условий; требуется мониторинг (концентрация ингибитора, $i_{corr}$, параметров среды).
- Оценка в цифрах (ориентировочно): правильно выбранный комплекс (ингибитор+пассивация) может снизить скорость коррозии на $10-1000\times$. Для типичных систем охлаждения и теплообмена практические цели — довести скорость коррозии до уровня $\le 0.01\text{–}0.1\text{mm/год}$ в зависимости от требований.
Рекомендация: для конкретной агрессивной среды провести анализ (состав воды/газа, $pH$, $C{l}^{-}$, $O_2$, $H_{2}S$, температура), затем подобрать ингибитор(ы) и дозирование, оценить экологические требования и провести полевые испытания с мониторингом коррозионного тока/потерь массы.