avatar

Основные методы коррозионной защиты алюминия

Опубликовал в личный блог
0
Основные методы коррозионной защиты алюминия
1. Введение

Как правило, алюминиевые сплавы обладают хорошими антикоррозионными свойствами в следующих средах: атмосфера, пресная вода, морская вода, большинство типов почвы, продуктов питания и множество химикатов. Термин «хорошая коррозионная стойкость» означает, что в большинстве случаев можно использовать алюминий без защитных покрытий и при этом срок службы будет долгим. В зависимости от агрессивности среды, а также назначения продукта, расчетного срока эксплуатации и требований к техническому обслуживанию, могут быть предприняты меры по противодействию или снижению степени коррозионного воздействия. Могут применяться несколько способов защиты. В этой лекции рассматриваются только те меры, которые относятся к незащищенным алюминиевым изделиям и компонентам. Защитные обработки поверхности, такие как предварительная обработка, покраска и анодирование.

2. Выбор коррозиестойких сплавов

Добавка легирующих элементов в алюминий влияет на характер коррозии, и важно выбрать наиболее пригодный сплав для каждой среды. Наиболее часто в качестве легирующих добавок в алюминиевых сплавах используют: медь, магний, марганец, кремний и цинк, а в качестве примесей в технически чистый алюминий – железо и кремний.

2.1. Кованые алюминиевые сплавы

Чистый алюминий (>99,9 % Al)

Сверхчистый алюминий (>99,9% Al) проявляет наилучшие для алюминия антикоррозионные свойства. Эти показатели резко снижаются с введением примесей, особенно меди и железа.

Al-Mn

Сплавы Al-Mn имеют хорошие антикоррозионные свойства и применяются вне помещений без защиты.

Al-Mg

Обычно, сплавы Al-Mg имеют наилучшие антикоррозионные свойства из всех сплавов алюминия. При содержании магний свыше 4%, технология изготовления оказывает заметное влияние на долговременные характеристики в коррозионных средах, даже при нормальных температурах. При длительном воздействии температуры свыше 60о С сплавы с большим содержанием магния становятся уязвимы к растрескиванию под напряжением и отслаиванию.

Al-Cu

Сплавы, содержащие существенное количество меди (> 0,25%) обладают меньшими антикоррозионными свойствами и потому не должны использоваться в агрессивных морских или промышленных средах без защитных покрытий. В прошлом, наиболее распространенной ошибкой было использование сплавов Al-Cu в коррозионных средах без соответствующих защитных мер.

Al-Zn-Mg-Cu

Сплавы, содержащие Zn, Mg и Cu обладают сходными коррозионными качествами, что и семейство сплавов Al-Cu и поэтому требуют защитных мер в коррозионных средах.

Al-Zn-Mg

Для этого семейства сплавов технология изготовления, особенно термическая обработка и состав сплава имеют решающее значение для коррозионного поведения. Сплавы из Al-Zn-Mg могут быть чувствительны к растрескиванию от коррозии под напряжением и отслаиванию.

2.2. Литейные алюминиевые сплавы

Коррозия в литых заготовках из алюминия обычно меньше чем в листовых изделиях, поскольку обычно, профиль толще и способен выдержать более суровую поверхностную коррозию. Литейные сплавы из Al-Mg имеют хорошие антикоррозионные свойства и могут применяться в морских средах. Считается, что Al-Si обладает хорошей коррозионной стойкостью в атмосфере и воде.
Сплавы из Al-Cu и Al-Si-Cu требуют защиты поверхности в коррозионных средах.
Поведение любого сплава зависит от среды, которую он должен выдержать;
В качестве примера приведенная ниже таблица показывает поведение различных сплавов в кислотах и щелочах. Чем ниже показатель, тем лучше сопротивляемость к коррозии.

3. Усовершенствование конструкции оборудования

Поскольку поведение коррозии в металлах зависит от физических и химических условий среды (например, температуры, примесей, изменение концентрации и т.д.) а также от химического состава, конструкция может значительно влиять на характер и скорость коррозии. Наиболее распространенные конструкционные отказы при обслуживании алюминиевых изделий включают в себя электрохимическую, щелевую и коррозию под напряжением.
В следующих параграфах даются рекомендации по предотвращению или, по крайней мере, снижению воздействия от этих видов коррозии:

3.1. Предотвращение электрохимической коррозии

Предлагаются следующие «правила» для уменьшения электрохимической коррозии:
Выбор комбинаций металлов как можно ближе стоящих друг к другу в ряде электродных потенциалов для рассматриваемой среды.
Использовать катодные крепления. Избегать комбинаций с неблагоприятным (малым) отношением площади анода к катоду. Обеспечить полную электрическую изоляцию двух соединенных металлов. Это можно сделать, если использовать изолирующую прокладку, втулки (трубки) и др. Если применяется краска, всегда красьте катод. Если покрасить только анод, любая царапина привела бы к неблагоприятному отношению площади анода к катоду, и к коррозии в месте царапины. Увеличение толщины анодного материала. В качестве альтернативы можно установить небольшие съемные толстые профили из анодного металла в месте соединения.
По возможности, размещать разнородный металлический контакт вдали от коррозионной среды. По возможности, избегать резьбовых соединений разнородных пар, т.к. резьба может разрушиться. Желательно соединять припоем или сваркой. Если возможно, использовать ингибиторы коррозии (например, в системах циркуляции).
В тех случаях, когда металлы должны оставаться в электрическом контакте через внешнюю цепь, проектировать оборудование таким образом, чтобы металлы располагались как можно дальше друг от друга, тем самым, увеличивая электрическое сопротивление через жидкость (электролит). По необходимости и возможности использовать катодную защиту с использованием цинкового или магниевого протекторного анода. Для большинства агрессивных сред, только цинк, кадмий и магний могут контактировать с алюминием не вызывая электрохимической коррозии.

3.2. Предупреждение коррозии вследствие отложений

Следующие меры помогут снизить данный вид коррозии на алюминии

1. Перепроектировать для того, чтобы избежать отложения более благородного металла, например, используя дренажную систему

2. Применение Алькледа

3. Использование ингибиторов

4. Покраска металлической основы

5. Многократная очистка для удаления осажденного благородного металла

3.3. Предупреждение щелевой коррозии

Для проекта из алюминиевых конструкций подверженных воздействию морской атмосферы в течение продолжительного времени должны предприниматься меры по предупреждению щелевой коррозии.

Следующие меры помогут снизить щелевую коррозию в алюминиевых конструкциях:

1. Покрывать прилегающие поверхности перед сборкой ингибирующей лакокрасочной композицией

2. Заполнять щель замазкой (мастикой) или эластичным прокладочным материалом для предотвращения доступа влаги.

3.4. Предупреждение коррозии под напряжением

Для проекта из алюминиевых конструкций находящихся под постоянным напряжением (нагрузкой), следует предпринять ряд мер, чтобы минимизировать коррозию под напряжением.

Следующие меры помогут снизить эффект воздействия от такого вида коррозии в алюминиевых конструкциях:

1. Убедитесь, что выбран адекватный профиль, который не будет перегружен. Особое внимание следует уделять остаточным или монтажным напряжениям, действующим в коротком поперечном направлении.

2. Хорошая лакокрасочная композиция, включающая противокоррозионную грунтовку придаст дополнительную защиту от коррозии под напряжением. Однако, необходимо осознавать, что лакокрасочные покрытия не являются полностью непроницаемыми для влаги и потому не следует ожидать от них хорошей защиты особо чувствительных к коррозии сплавов.

3. Металлизация распылением с некоторыми алюминиевыми сплавами вносит заметный вклад в коррозионную защиту, которую следует в дальнейшем усилить при помощи краски.

4. Методы обработки поверхности, такие как дробеструйная обработка или шлифовка для получения остаточного напряжения сжатия, при правильном применении позволяют эффективно снизить масштабы коррозионного растрескивания под напряжением.

5. Приложенное напряжение. Постоянные приложенные напряжения растяжения на поверхности не должны превышать следующих пределов:
в продольном направлении 50% предела текучести;
по длинному поперечному направлению между 35 и 50% предела текучести;
по кратчайшему поперченному направлению: как можно меньше и желательно не больше 15% предела текучести.

3.5. Сплавы с хорошей сопротивляемостью к коррозии под напряжением

Ряд систем из высокопрочных алюминиевых сплавов восприимчивы к термическим обработкам (старение), при которых достигаются металлургические состояния с гораздо большей сопротивляемостью к коррозии под напряжением без потерь механический свойств (сплавы Т76, Т73).
Все эти рекомендации имеют общий характер и в каждом конкретном случае необходимо подробное изучение.

4. Изменение среды

Иногда можно снизить или даже свести на нет агрессивность среды, тем или иным способом изменяя последнюю. В некоторых химических веществах, например феноле, при добавлении небольшого количества воды (например, 0,3%) предотвратит сильную коррозию, которая бы возникла бы при отсутствии воды. В других веществах, таких как жидкий диоксид серы, вода способствует коррозии алюминия. Обычно, движение или турбулентность, не чрезмерная, иногда предотвращает точечную коррозию, которая возникла бы в противном случае. Приведение показателя рН до безопасного диапазона (от 4.5 до 8.5) предотвращает или снижает коррозию. Деаэрация воды значительно снижает тенденцию образования коррозионных язв в алюминии. Повышение температуры, обычно, может усилить скорость общей (равномерной) коррозии, но при этом благоприятно влияет на снижение скорости точечной коррозии. Очевидно, что эти воздействия являются специфичными для особых (отдельных) условий, и по этому вопросу можно сказать немногим больше, чем сказано выше.

4.1. Ингибиторы коррозии

Ингибитор это вещество, при добавлении которого (обычно в небольших количествах) в агрессивную жидкость или химикат снижается или предотвращается коррозия металла, возникающая в обратном случае. Ингибиторы могут воздействовать на анодную коррозию, в этом случае их принято называть «анодными ингибиторами», либо могут воздействовать на катодную коррозию, тогда их называю «катодными ингибиторами». Анодные ингибиторы могут представлять опасность, если их не добавить в достаточном количестве, т.к. в то время как они уменьшают эффективную площадь анода, воздействие на оставшиеся участки будет более суровым, чем в отсутствие ингибитора.
Катодные ингибиторы более безопасные, поскольку частичное уменьшение эффективной площади катода снижает коррозию на аноде. Однако, обычно они менее эффективны по сравнению с анодными ингибиторами. Хромат (в виде хромата калия или калия или дихромата) наиболее часто используется в качестве ингибитора с алюминием и принадлежит к анодным ингибиторам. Для предотвращения точечной коррозии алюминия в агрессивной воде, полезно добавить 500 ppm. (промиль) хромата натрия или дихромата с рН 8.5
Фосфат, силикат, нитрат, нитрит, бензоат, растворимое масло и другие вещества также рекомендуются в отдельности или в сочетании для снижения воздействия коррозии алюминия со стороны агрессивных жидкостей. Ингибирование воды обычно целесообразно только в рециркуляционных, замкнутых системах. В смешанных системах включающих, например, алюминий и медь важно спроектировать хорошую ингибиторную систему и поддерживать показатель рН выше 8.0-8.5, чтобы не допустить растворение меди и ее последующее отложение на поверхности алюминия. Сложность ингибирования заключается в том, что обычному инженеру трудно добиться достаточной водоподготовки без помощи специалиста.
Часто, необходимы лабораторные тесты на месте, чтобы достигнуть наилучших параметров.

5. Катодная защита

Теория катодной защиты металла проложенного в грунте простая. Постоянный электрический ток (вызываемый протекторными анодами или подаваемый ток) подается на защищаемый металл.
Этот ток поляризует локальные катодные участки до потенциала локального анода и создает поверхность с равномерным потенциалом. Таким образом, потенциал гальванической ячейки становится равным нулю и точечной коррозии не возникает.
Ток может производиться ректификатором с металлическим или графитовым электродом или протекторными гальваническими анодами из магния или цинка. Для того чтобы уменьшить требуемый ток, защищаемый металл иногда покрывают краской, защитной пленкой или другим оберточным материалом. В индустрии стальных трубопроводов метод протекторной защиты хорошо налажен и продемонстрировал достаточную эффективность. Опыт проложенного в земле алюминия ограничивается единичными экспериментами и ограниченным числом рабочих линий.

Протекторные аноды

Алюминий может быть катодно защищен путем соединения его с цинком или магнием, используемым как протекторный анод.
В случаем с алюминием, возможно механизм защиты состоит из поляризации катодных примесей в металле до коррозионного потенциала пассивного алюминия, препятствующего неблагоприятному воздействию таких примесей.
Цинк может применяться как протекторный анод по отношению к алюминию в нейтральной или чуть кислотной среде, несмотря на тот факт, что алюминий более активный, чем цинк в ряде электродных потенциалов. В щелочной среде алюминий теряет свою пассивность и становится анодом по отношению к цинку.
Магний обычно используют для защиты алюминия в ряде случаев. Установка анодов из магния позволят остановить коррозию даже в трубопроводах, проложенных в земле с накопленными продуктами коррозии. В некоторых случаях излишняя защита может привести к образованию катодной коррозии алюминия.
Потенциал создаваемый между анодами магния и алюминия обычно не превышает 1.20 вольт (Cu/SO4) и, обычно, благодаря щелочной структуре, катодной коррозии не происходит.

5.1. Подаваемый ток

Катодная защита с помощью катодного тока требует наличия источника постоянного тока и вспомогательного электрода, как показано на рисунке 5104.04.01.
Источник постоянного тока соединен положительной клеммой к вспомогательному электроду, а отрицательной к защищаемой конструкции. Ток течет от электрода через электролит к конструкции.
Общепринято, что защита алюминия обеспечивается в том случае, если потенциал поверхности алюминия проложенного в земле поддерживается в диапазоне от -0.85 до -1.10 вольт (Cu/SO4) и существенной катодной коррозии не возникает пока не превышено значение -1.20 вольт.
Химический состав почвы может влиять на безопасный верхний потенциал, который в ряде случаев может значительно превышать -1.20 вольт.
Требуемая плотность тока зависит от среды, но, обычно, плотность подаваемого тока должна всегда превышать эквивалент плотности тока, расчетной или измеряемой скорости коррозии (в водопроводной воде модно взять за расчет приблизительно 20 мА/м2, в почве в среднем 5 мА/м2 ).
Если используются защитные покрытия алюминия, плотность тока может быть меньше и для защиты 20 км трубы понадобиться лишь 90-240 мА.

5.2. Сплавы Альклед

Альклед это двухслойное изделие, состоящее из тонкого слоя одного сплава, полностью соединенного с другим, более толстым основным сплавом. Оболочный сплав исполняет роль протекторного анода для защиты основного сплава. Группа сплавов Al-Zn обычно применяется в качестве оболочных материалов для защитных целей, однако в ряде случаев используется чистый алюминий. Защитный механизм оболочки основан на протекторной защите. Когда язва достигает основного материала, оболочка коррозирует в первую очередь, в то время как основной слой остается нетронутым.
Оболочка (плакирование) дает реальную возможность продлить срок службы алюминиевых трубопроводов, по которым доставляется продукт, вызывающий точечную коррозию металла. Принято, что оболочка на каждой стороне листа составляет 5% общей толщины листа.

Практические вопросы

Как минимизировать точечную коррозию алюминия в агрессивной воде?

Здесь необходимо рассмотреть четыре возможные превентивные меры:

1. Использование сплава Альклед

Применять 3003 или 65S покрытый 72S. Это не предотвратит точечную коррозию, но существенно задержит образование сквозных язв.

2. Увеличение толщины стенки

Опираясь на опыт эксплуатации больших водяных цистерн можно предположить, что при толщине стенки 6-7мм сквозная коррозия не возникает достаточно долгое время (50-100 лет), даже в случае образования точечной коррозии.

3. Применение ингибиторов

Использование ингибиторов для предотвращения точечной коррозии оправдано только для замкнутых систем циркуляции

4. Катодная защита

Катодная система защиты с подаваемым током предотвратит от точечной коррозии, или остановит ее развитие, и может использоваться как в цистернах, так и в кораблях. Невозможно применить катодную защиту для внутренней поверхности трубопроводов с небольшим диаметром.
0 комментариев RSS
Нет комментариев
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.