Metāla materiāli tiek plaši izmantoti dažādās telpās un aprīkojumā daudzās rūpniecības nozarēs un ikdienas dzīvē. Tomēr metāla korozija vienmēr ir bijis galvenais faktors, kas ietekmē viņu kalpošanas laiku un drošību. Starp daudzajiem faktoriem, kas izraisa metāla koroziju, hlorīda jonu korozija ir īpaši pamanāma, rada nopietnu izaicinājumu rūpnieciskajai ražošanai un infrastruktūras uzturēšanai.
Hlorīda joni ir plaši sastopami jūras ūdens, augsnes, rūpnieciskos notekūdeņos un noteiktā specifiskā ķīmiskās ražošanas vidē. To kodīgā ietekme uz metāla materiāliem ne tikai bojā metāla struktūras, bet arī var izraisīt drošības negadījumus un ievērojamus ekonomiskus zaudējumus. Tāpēc dziļa izpratne par mehānismiem, ietekmējošiem faktoriem un efektīviem hlorīda jonu korozijas aizsardzības pasākumiem ir būtiska, lai nodrošinātu dažādu iekārtu drošu un stabilu darbību.
Hlorīda jonu korozijas ķīmiskās reakcijas mehānisms: mikroskopiskās pasaules "korozijas kods"
Hlorīda joniem (Cl⁻) ir ārkārtīgi aktīva loma korozijas procesā. Parastiem metāliem, piemēram, tēraudam, korozijas reakcija parasti sākas ar anodisku oksidāciju uz metāla virsmas. Anodiskajā reģionā dzelzs atomi (Fe) zaudē elektronus, veidojot melnos jonus (Fe²⁺), kas ievada šķīdumu, veidojot reakciju Fe - 2 e⁻ → Fe²⁺. Katoda reģionā, pateicoties izšķīdušā skābekļa klātbūtnei šķīdumā, notiek skābekļa samazināšanas reakcija: o₂ + 2 h₂o + 4 e⁻ → 4OH⁻. Situācija kļūst sarežģītāka, ja šķīdumā ir hlorīda joni.
Hlorīda joniem ir neliels rādiuss, augsta aktivitāte un spēcīga iespiešanās jauda. Viņi var iznīcināt pasīvo plēvi, kas izveidota uz metāla virsmas, kas parasti novērš turpmāku oksidāciju. Hlorīda joni adsorbē uz pasīvās plēves virsmas, veidojot šķīstošos kompleksus ar metāla joniem. Tas izraisa lokalizētu pasīvās plēves izšķīšanu, pakļaujot svaigu metāla virsmu un paātrinot anodiskās izšķīšanas procesu. Piemēram, nerūsējošā tēraudā hroms (CR) veido blīvu Cr₂o₃ pasīvo plēvi uz virsmas, neļaujot metālam saskarties ar ārējo vidi.
Tomēr, kad ir hlorīda joni, tie veido kompleksu [crcl₆] ³⁻ ar cr³⁺, iznīcinot pasīvo plēvi un izraisot lokalizētas korozijas parādības, piemēram, korozijas no nerūsējošā tērauda. No mikroskopiskā viedokļa hlorīda jonu klātbūtne maina elektroķīmisko līdzsvaru uz metāla virsmas, paātrinot korozijas reakciju. Tas ir hlorīda jonu korozijas ķīmiskās reakcijas mehānisms.
Parastie hlorīda jonu korozijas veidi: daudzšķautņainais "Korozijas slepkava" nobriedis postījums
(I) Pitting: "neredzamā bumba" uz metāla virsmas
Pits, kas pazīstams arī kā poru korozija, ir izplatīta un slēpta hlorīda jonu korozijas tips. Šķīdumā, kas satur hlorīda jonus, hlorīda joni, kas galvenokārt adsorbē un iznīcina pasīvo plēvi noteiktos metāla virsmas lokalizētos apgabalos, kas saistīti ar pasīvās plēves defektiem vai citiem faktoriem. Kad pasīvā filma ir uz vietas iznīcināta, veidojas mazs anods, kamēr apkārtējais, lielāks, neskarts pasīvās plēves zona kļūst par katodu, veidojot korozijas mikrobatēriju.
Tā kā anoda laukums ir daudz mazāks nekā katoda laukums, anodiskās strāvas blīvums ir ļoti augsts, izraisot korozijas strauji iekļūšanu šajā mazajā apgabalā, veidojot mazas poras. Šīs poras sākotnēji var būt grūti noteikt, taču laika gaitā tās pakāpeniski padziļinās un izplešas, galu galā iekļūstot metālam un nopietni ietekmējot metāla struktūras stiprumu. Piemēram, kuģa korpuss jūras vidē ir pakļauts ilgam - Termiņa kontaktam ar jūras ūdeni, kur augsta hlorīdu jonu koncentrācija var viegli izraisīt koroziju. Pēc korozijas bedrēšanas tas var turpināt attīstīties neuzkrītošos korpusa apgabalos. Kad tas tiek atklāts, tas jau var radīt draudus kuģa drošajai navigācijai.
(Ii) plaisu korozija: slēptais "erozijas draiveris"
Virzes korozija parasti notiek pie metāla - uz {- metālu vai metālu - uz {- nemetāla savienojumiem, piemēram, tādiem, kas atrodami blīves, skrūvēs un kniedēs. Kad šķīdums, kas satur hlorīdu jonus, nonāk šajās plaisās, skābekļa papildināšana ir sarežģīta, jo ir ierobežota šķīduma plūsma plaisās, veidojot skābekļa koncentrācijas šūnu. Skābekļa - nepilnīgi apgabali plaisās darbojas kā anodi, izraisot metāla izšķīšanu, savukārt skābeklis - bagātīgas vietas ārpus plaisām darbojas kā katodi.
Tajā pašā laikā hlorīda joni uzkrājas plaisās, vēl vairāk paātrinot korozijas procesu. Plaisu koroziju raksturo koncentrēta korozija plaisās un ap tām. Tā kā korozijas produkti uzkrājas, plašsaziņas līdzekļu vide plaisās kļūst arvien naidīgāka, paātrinot korozijas ātrumu. Ja dažu rūpniecisko aprīkojuma atloka savienojumi ir slikti noslēgti, procesa šķidrumi, kas satur hlorīdu jonus, var viegli iekļūt spraugās, izraisot plaisu koroziju un izraisot aprīkojuma noplūdi.
(Iii) Stresa korozijas plaisāšana: metāla sabrukums zem "iekšējiem un ārējiem uzbrukumiem"
Stresa korozijas plaisāšana rodas no hlorīda jonu korozijas un stiepes stresa kombinētās iedarbības. Saskaņā ar stiepes spriegumu metāla iekšējā kristāla struktūra izkropļo, palielinot dislokācijas blīvumu un paaugstinot metāla virsmas enerģijas stāvokli, padarot to jutīgāku pret koroziju. Kad vidē ir hlorīda joni, tie galvenokārt adsorbē uz defektiem vai stresa koncentrācijām uz metāla virsmas, iznīcinot pasīvo plēvi un izraisot pittingu vai plaisu koroziju.
Korozijai progresējot, korozijas bedres vai plaisas gali turpina paplašināties zem stiepes sprieguma, galu galā izraisot pēkšņu metāla lūzumu. Šāda veida korozija ir ļoti destruktīva un bieži notiek bez acīmredzama brīdinājuma. Piemēram, naftas ķīmijas rūpniecībā augsts - spiediena cauruļvadi ir pakļauti stresa korozijas plaisāšanai, ja to transportēšanas barotnē ir hlorīda joni un cauruļvadi tiek pakļauti stiepes spriegumam no uzstādīšanas stresa vai iekšējā spiediena. Tiklīdz cauruļvads plīst, tas var izraisīt nopietnus drošības negadījumus.
Galvenie faktori, kas ietekmē hlorīda jonu koroziju: korozijas pakāpes "kontroles poga"
(I) hlorīda jonu koncentrācija: korozijas "akselerators"
Hlorīda jonu koncentrācija ir viens no vissvarīgākajiem faktoriem, kas ietekmē koroziju. Vispārīgi runājot, jo augstāka hlorīda jonu koncentrācija šķīdumā, jo ātrāks ir metāla korozijas ātrums. Palielinoties hlorīda jonu koncentrācijai, vairāk hlorīdu jonu spēj piedalīties pasivācijas plēves iznīcināšanā uz metāla virsmas. Turklāt korozijas mikrocellos augsta hlorīda jonu koncentrācija palielina anodiskās izšķīšanas reakcijas virzošo spēku.
Piemēram, jūras ūdenī hlorīda jonu saturs ir aptuveni 19 000 mg/L, daudz augstāks nekā saldūdenī. Tas padara metāla struktūras jūras vidē jutīgāku pret koroziju. Pētījumi liecina, ka oglekļa tēraudam hlorīda jonu šķīdumos hlorīda jonu koncentrācijas palielināšana no 100 mg/L līdz 1000 mg/L var palielināt korozijas ātrumu vairākkārt.
Dažos rūpniecības procesos, piemēram, hlor - sārmu un papīra rūpniecībā, ražošanas laikā radītie notekūdeņi satur lielu hlorīdu jonu koncentrāciju. Ja tas tiek izvadīts tieši bez ārstēšanas, tas rada nopietnus korozijas draudus apkārtējai metāla infrastruktūrai.
(Ii) šķīduma pH: skābes "korozijas līdzsvars" - bāzes vide
Šķīduma pH arī ievērojami ietekmē hlorīda jonu koroziju. Skābā vidē augsta ūdeņraža jonu (H⁺) koncentrācija veicina metāla anodisko izšķīšanu un atvieglo hlorīda jonu bojājumus pasivācijas plēves plēvei.
Pie zema pH līmeņa korozijas produkti uz metāla virsmas var pastāvēt kā šķīstošie sāļi, neveidojot efektīvu aizsargājošu plēvi, tādējādi paātrinot korozijas procesu. Piemēram, hlorīda jonu šķīdumos ar pH 4-5 tērauda korozijas ātrums ir ievērojami augstāks nekā neitrālā vidē. Sārmainā vidē uz metāla virsmas var veidoties hidroksīds, kas zināmā mērā neļauj hlorīda joniem saskarties ar metālu un lēnu koroziju.
Tomēr, ja sārmainība ir pārāk spēcīga, daži metāli, piemēram, alumīnijs, var rasties sārmainā korozija. Lielākajai daļai hlorīda jonu šķīdumu metālu hlorīda jonu korozija ir visizteiktākā neitrālā vai nedaudz skābā vidē.
(Iii) Temperatūra: ķīmisko reakciju "katalizators"
Temperatūras paaugstināšanās paātrina ķīmisko reakciju ātrumu, un hlorīda jonu korozija nav izņēmums. Paaugstinoties temperatūrai, jonu difūzijas ātrums šķīdumā paātrinās, paātrinot korozijas reakcijas kinētiku uz metāla virsmas. No vienas puses, temperatūras paaugstināšanās palielina metāla atomu aktivitāti, padarot tos lielāku iespēju zaudēt elektronus un iziet anodisko oksidāciju. No otras puses, hlorīda joni arī palielina to spēju sabojāt pasivācijas plēvi augstā temperatūrā.
Piemēram, ķīmiskajā ražošanā aprīkojums, ko izmanto augstā - temperatūras procesos, var būt ievērojams korozijas ātruma pieaugums, ja to pakļauj barotnei, kas satur hlorīdu jonus. Pētniecības dati rāda, ka oglekļa tēraudam hlorīda ūdens -, kas satur šķīdumus, korozijas ātrums var palielināties par 20% -30% uz katriem 10 grādu temperatūras paaugstināšanos.
Tomēr, kad temperatūra paaugstinās līdz noteiktam līmenim, izšķīdušais skābekļa saturs šķīdumā var samazināties, kas savukārt ietekmē katoda skābekļa absorbcijas korozijas reakciju, kā rezultātā sarežģīta ietekme uz korozijas ātrumu.
Hlorīda jonu korozijas profilakses stratēģijas: ciets vairogs pret koroziju
(I) Materiālu izvēle: spēcīgas aizsardzības veidošana avotā
Atbilstošu hlorīda - izturīgie materiāli atlasīšana ir galvenais korozijas novēršanas pasākums. Videi, kurai nepieciešama augsta izturība pret koroziju, var izmantot tādus materiālus kā nerūsējošā tērauda un niķeļa - balstīti sakausējumi. Dažādiem nerūsējošā tērauda veidiem ir atšķirīga izturība pret hlorīda jonu koroziju. Piemēram, molibdēna (MO) pievienošana 316L nerūsējošajam tēraudam uzlabo tā izturību pret hlorīda jonu koroziju.
Niķeļa - balstīti sakausējumi, piemēram, Hastelloy, ņemot vērā to sakausējuma kompozīcijas īpašības, uzrāda lielisku korozijas pretestību augstā - temperatūrā, augsta - spiediens un ļoti korozīva vide, kas satur hlorīda jonus. Jūras inženierijas jomā daži galvenie strukturālie komponenti tiek ražoti, izmantojot niķeļa - balstītus sakausējumus, kas efektīvi pretojas jūras ūdens korozijai.
Atkarībā no īpašās lietošanas vides metāla materiālus var liegt pievienot tādus elementus kā hroms (CR), molibdēns (MO) un slāpeklis (N), lai optimizētu materiāla mikrostruktūru un uzlabotu tā izturību pret hlorīda jonu koroziju.
Hlorīda joni ir ārkārtīgi kodīgi pret titānu istabas temperatūrā neitrālā vidē, un oksīda plēve, kas veidota uz titāna virsmas, efektīvi iztur hlorīda jonu uzbrukumu. Titānam ir lieliska izturība pret koroziju lielākajā daļā hlorīda -, kas satur vidi, galvenokārt šādu mehānismu dēļ:
Pasīvas plēves aizsardzība: Titāns spontāni veido blīvu oksīda plēvi (TiO₂) gaisā, efektīvi bloķējot hlorīda jonus no saziņas ar substrātu. Tas ir īpaši stabils mitrās hlora gāzes vai neitrālos hlorīdu šķīdumos.
Ķīmiskā inertācija: titāns praktiski nav reaģējošs ar hlorīda joniem neitrālā skābes un sārmu apstākļos. Tas veido titāna tetrahlorīdu tikai ļoti reaģējošā vidē (piemēram, augstā temperatūrā un zemā ūdens saturā) un izraisa koroziju.
(Ii) Aizsardzība pret pārklājumu: Metālu aizsardzība ar "aizsargājošu apģērbu"
Aizsardzība pret pārklājumu ir plaši izmantota korozijas aizsardzības metode. Organiski pārklājumi, piemēram, epoksīda sveķu krāsas un poliuretāna krāsas, uz metāla virsmas veido izolācijas slāni, novēršot tiešu saskari starp hlorīda joniem un metālu. Pārklājuma biezums, adhēzija un integritāte ir būtiska efektīvai aizsardzībai. Pārklāšanas procesa laikā pārliecinieties, ka metāla virsma ir tīra un pārklājums ir vienmērīgs un blīvs, izvairoties no tādiem defektiem kā pinholes un burbuļi.
Dažām skarbām kodīgām vidēm var izmantot arī termiskus smidzināšanas pārklājumus, piemēram, tos, kas uzklāj cinku vai alumīniju. Šie pārklājumi izmanto šo metālu upurēšanas anodisko aizsardzību, lai aizsargātu parasto metālu. Piemēram, uz jūras eļļas platformu tērauda konstrukcijām salikta aizsargājoša sistēma, kas apvieno termiski izsmidzinātus alumīnija pārklājumus ar organiskā hermētiķa pārklājumiem, var efektīvi pagarināt tērauda konstrukciju kalpošanas laiku.
(Iii) Korozijas inhibitoru pielietojums: korozijas reakciju "inhibitori"
Korozijas inhibitori ir vielas, kas pievienotas korozīvai barotnei, lai samazinātu metālu korozijas ātrumu. Hlorīdā -, kas satur šķīdumus, dažus korozijas inhibitorus var izmantot, lai kavētu koroziju. Neorganiskas korozijas inhibitori, piemēram, hromāti un nitrīti, novērš koroziju, veidojot pasīvo plēvi uz metāla virsmas. Tomēr to toksicitāte ierobežo to izmantošanu.
Organiskās korozijas inhibitori, piemēram, imidazolīni un amīni, adsorbē uz metāla virsmām, mainot korozijas reakcijas lādiņa sadalījumu un aktivizācijas enerģiju, tādējādi kavējot korozijas procesu. Korozijas inhibitoru atlasei un koncentrācijai jāoptimizē, pamatojoties uz specifisku kodīgu vidi un metāla materiālu, lai panāktu optimālu aizsardzību. Dažās rūpnieciski cirkulējošās dzesēšanas ūdens sistēmās, pievienojot atbilstošu korozijas inhibitoru daudzumu, var efektīvi kontrolēt hlorīda jonu koroziju caurulēm un aprīkojumam.
Nākotnē, nepārtraukti attīstot tādus laukus kā materiālu zinātne un virszemes inženierija, mēs uzskatām, ka hlorīda jonu korozijas aizsardzībai tiks izmantotas progresīvākas tehnoloģijas un metodes, vēl vairāk paplašinot metāla materiālu kalpošanas laiku sarežģītā korozīvā vidē.
