Коррозия и защита от коррозии

Р. АНГАЛ

2014

КОРРОЗИЯ И ЗАЩИТА  
ОТ КОРРОЗИИ

Перевод с английского  
А. Д. Калашникова

Второе издание

Ð. Àíãàë
Êîððîçèÿ è çàùèòà îò êîððîçèè. Ïåð. ñ àíãë.: Ó÷åáíîå ïîñîáèå /
Ð. Àíãàë – 2-å èçä. – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì
«Èíòåëëåêò», 2014. – 344 ñ.
ISBN 978-5-91559-186-7

Íàèáîëåå ñîâðåìåííîå ó÷åáíîå ïîñîáèå ïî êîððîçèè è çàùèòå ìåòàëëîâ è
ñïëàâîâ. Èçäàíèå îòëè÷àåòñÿ óíèâåðñàëüíîñòüþ è îõâàòûâàåò âñå îñíîâíûå
àñïåêòû íàóêè î êîððîçèè è ïðàêòèêè ïðîòèâîêîððîçèîííîé çàùèòû.
Ïåðâîå èçäàíèå êíèãè íà ðóññêîì ÿçûêå îêàçàëîñü âîñòðåáîâàííûì
âåäóùèìè ðîññèéñêèìè óíèâåðñèòåòàìè.
Íàðÿäó ñ îñíîâíûìè ïðèíöèïàìè ýëåêòðîõèìè÷åñêîé, àòìîñôåðíîé
è âûñîêîòåìïåðàòóðíîé êîððîçèè, âêëþ÷àÿ òåðìîäèíàìè÷åñêèå è êèíåòè÷åñêèå ñòîðîíû ÿâëåíèé, ðàññìîòðåíû êîððîçèîííûå ñâîéñòâà âàæíåéøèõ ìåòàëëîâ (æåëåçî è ðàçëè÷íûå ñòàëè, àëþìèíèé, ìåäü, íèêåëü
è èõ ñïëàâû, òèòàí, êîáàëüò è äð.) â ðàçëè÷íûõ ñðåäàõ. Ðàññìîòðåíû
ìåòîäû êîíòðîëÿ êîððîçèè, çàùèòíûå ïîêðûòèÿ è ýëåêòðîõèìè÷åñêèå
ìåòîäû çàùèòû.
Èçëîæåíû ñîâðåìåííûå ïðåäñòàâëåíèÿ î âëèÿíèè íà êîððîçèîííîå ïîâåäåíèå ìåòàëëîâ è ñïëàâîâ ìåõàíè÷åñêèõ, ìåòàëëóðãè÷åñêèõ è õèìè÷åñêèõ ôàêòîðîâ. Îñîáîå âíèìàíèå óäåëåíî òåðìîäèíàìèêå è êèíåòèêå ýëåêòðîõèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, âêëþ÷àÿ òåîðèþ ñìåøàííîãî ïîòåíöèàëà, äèàãðàììû Ýâàíñà
è ðîëü èíãèáèòîðîâ êîððîçèè.
Äëÿ ñòóäåíòîâ, àñïèðàíòîâ è ïðåïîäàâàòåëåé õèìè÷åñêèõ è õèìèêî-òåõíîëîãè÷åñêèõ ôàêóëüòåòîâ, èññëåäîâàòåëåé è ðàçðàáîò÷èêîâ.

                 © 2010, Narosa Publishing House
                  © 2014, ÎÎÎ «Èçäàòåëüñêèé Äîì
«Èíòåëëåêò», ïåðåâîä íà ðóññêèé
ÿçûê, îðèãèíàë-ìàêåò, îôîðìëåíèå

ISBN 978-5-91559-186-7
ISBN 978-1-84265-529-0 (àíãë.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Оглавление  .......................................................................................................3

Предисловие .....................................................................................................8

Глава 1. Суть предмета ................................................................................ 9
1.1  Введение ..................................................................................................9
1.2  Разновидности коррозии ...................................................................... 11
1.3  Электрохимическая природа коррозии ................................................ 12
1.4  Высокотемпературная коррозия .......................................................... 13
1.5  Коррозия одного металла ..................................................................... 14
1.6   Механизмы, определяющие скоростью коррозии ............................... 15
1.7  Область действия защиты от коррозии ................................................ 16
1.8   Междисциплинарный характер науки о коррозии .............................. 17

Глава 2. Гальванические элементы и электродный потенциал .......................18
2.1  Источник электродвижущей силы ....................................................... 18
2.2  Водородная шкала ................................................................................. 21
2.3   Окислительно-восстановительный потенциал.................................... 28
2.4  Другие виды электродов ....................................................................... 30
 
2.4.1  Газовый электрод........................................................................ 30
 
2.4.2  Анионные электроды ................................................................. 31
 
2.4.3  Электроды сравнения ................................................................. 32
 
2.4.4  Кислородный электрод .............................................................. 33
2.5  Другие виды гальванических элементов .............................................. 36
 
2.5.1  Концентрационный элемент ..................................................... 36
 
2.5.2  Газовый концентрационный элемент ....................................... 38
 
2.5.3  Термогальванический элемент .................................................. 38
2.6  Методы измерения ЭДС ....................................................................... 39
 
Дополнительная литература ................................................................. 40
 

 

Глава 3. Кинетика электродных процессов ..................................................43
3.1  Необратимые процессы и поляризация ............................................... 43
3.2  Электродные процессы в ячейке .......................................................... 46
3.3  Измерение перенапряжения ................................................................. 47
3.4  Расчёт перенапряжения ........................................................................ 49
3.5  Кислородное перенапряжение ............................................................. 51
3.6   Ионная диффузия как лимитирующая стадия ..................................... 52
3.7   Разрядка ионов как самый медленный процесс .................................. 55
3.8  Механизмы, определяющие скорость .................................................. 61
3.9  Деполяризация ...................................................................................... 62
3.10  Кислородная деполяризация на катоде ............................................... 64
 
Ссылки ................................................................................................... 65
 
Задачи .................................................................................................... 65

Глава 4. Законы коррозии ...........................................................................66
4.1  Диаграммы поляризации ...................................................................... 66
 
4.1.1  Катодная поляризация ............................................................... 66
 
4.1.2  Анодная поляризация................................................................. 68
4.2  Пассивационная плёнка ....................................................................... 70
4.3 
Нарушение и восстановление плёнки .................................................. 71
4.4  Поляризация одного электрода ............................................................ 73
4.5  Теория смешанного потенциала .......................................................... 74
4.6 
 Окклюдированный гальванический элемент ...................................... 75
4.7  Расчёт скорости коррозии .................................................................... 78
4.8  Диаграммы коррозии Эванса ............................................................... 79
4.9  Ингибиторы ........................................................................................... 89
4.10 Диаграммы Пурбе ................................................................................. 96
 
Ссылки ................................................................................................. 102
 
Задачи .................................................................................................. 102

Глава 5. Металлургическая классификация типов коррозии .......................104
5.1  Контактная коррозия .......................................................................... 104
5.2  Щелевая коррозия ............................................................................... 110
5.3  Питтинг-коррозия............................................................................... 116
5.4  Межкристаллитная коррозия ............................................................. 125
5.5  Селективное выщелачивание ............................................................. 135
5.6  Нитевидная коррозия ......................................................................... 141
5.7  Блуждающие токи ............................................................................... 143
 
Ссылки ................................................................................................. 144

Глава 6. Механистические аспекты коррозии ............................................145
6.1   Эрозионная коррозия, кавитационная коррозия .............................. 145
6.2  Фреттинг-коррозия ............................................................................. 151

4
Оглавление

6.3   Коррозионное растрескивание под напряжением ............................ 154
6.4  Коррозионная усталость ..................................................................... 169
6.5  Водородное растрескивание ............................................................... 172
 
Ссылки ................................................................................................. 176

Глава 7. Корродирующие материалы .........................................................177
7.1  Железо и сталь ..................................................................................... 179
 
7.1.1  Металлургические аспекты ...................................................... 181
 
7.1.2  Роль легирующих элементов .................................................... 182
 
7.1.3  Коррозия железа в пресной воде ............................................. 185
7.2  Алюминий и его сплавы ...................................................................... 187
7.3  Медь и её сплавы ................................................................................. 190
 
7.3.1  Медно-цинковые сплавы ......................................................... 193
 
7.3.2  Медно-никелевые сплавы ........................................................ 193
 
7.3.3  Медно-алюминиевые сплавы .................................................. 194
 
7.3.4  Прочие медные сплавы ............................................................ 194
7.4  Никель и его сплавы ........................................................................... 195
7.5  Нержавеющие стали ............................................................................ 197
 
7.5.1  Аустенитная нержавеющая сталь ............................................. 201
 
7.5.2  Ферритные нержавеющие стали .............................................. 203
 
7.5.3  Мартенситные нержавеющие стали ........................................ 204
 
7.5.4  Дисперсионно-упрочнённые нержавеющие стали ................. 204
 
7.5.5  Двухфазные нержавеющие стали ............................................. 205
 
7.5.6  Коррозия в политионовых кислотах ........................................ 205
7.6  Прочие металлы .................................................................................. 206
 
Ссылки ................................................................................................. 207

Глава 8. Высокотемпературная коррозия ...................................................208
8.1  Введение .............................................................................................. 208
8.2  Катастрофическое окисление ............................................................. 211
8.3  Механизм роста плёнки ...................................................................... 212
8.4  Механизм окисления .......................................................................... 214
8.5  Начальные стадии окисления ............................................................. 217
8.6  Константы скорости окисления ......................................................... 218
8.7  Теория Вагнера окисления металлов ................................................. 219
8.8  Окисление сплавов.............................................................................. 221
8.9  Окисление сплавов железа.................................................................. 224
8.10  Внутреннее окисление ........................................................................ 225
8.11  Сульфидирование ............................................................................... 228
8.12   Высокотемпературная коррозия в иных окружениях ........................ 229
8.13  Способы защиты ................................................................................. 229
 
Ссылки ................................................................................................. 231
 

 

5
Оглавление

Глава 9. Защитные покрытия, предотвращающие коррозию .......................232
9.1  Органические покрытия ..................................................................... 233
9.2  Механизм защиты ............................................................................... 234
9.3  Система покрытий .............................................................................. 235
9.4  Составляющие системы окраски ........................................................ 236
9.5  Полимерные связующие ..................................................................... 241
 
9.5.1  Классификация полимеров ...................................................... 242
 
9.5.2  Синтез полимеров .................................................................... 244
 
9.5.3  Пластификаторы ...................................................................... 249
 
9.5.4  Термодинамические переходы в полимерах ........................... 250
9.6  Износ и сход краски ............................................................................ 251
9.7  Катодное отслоение ............................................................................ 252
9.8  Металлические покрытия ................................................................... 253
9.9  Способы нанесения покрытий ........................................................... 254
9.10  Погружение в горячую ванну.............................................................. 255
9.11   Электролитическое покрытие (гальванотехника) ............................. 256
 
9.11.1  Рабочие режимы ....................................................................... 257
 
9.11.2  Состав ванны ............................................................................ 258
 
9.11.3  Совместное электроосаждение ................................................ 261
 
Ссылки ................................................................................................. 262

Глава 10. Практические способы нанесения покрытий ...............................263
10.1  Подготовка поверхности ..................................................................... 263
 
10.1.1  Механические процедуры ........................................................ 264
 
10.1.2  Удаление старой краски ........................................................... 265
 
10.1.3  Обработка растворителями ...................................................... 266
 
10.1.4  Кислотное травление ................................................................ 267
 
10.1.5  Электролитическая очистка ..................................................... 268
 
10.1.6   Подготовка поверхности с помощью 
преобразователей ржавчины .................................................... 269
10.2  Способы нанесения покрытий ........................................................... 271
 
10.2.1  Механические способы ............................................................ 271
 
10.2.2  Порошковые покрытия ............................................................ 271
 
10.2.3   Электростатическое напыление порошковых покрытий ....... 273
 
10.2.4  Образование плёнки при нанесении краски ........................... 275
 
10.2.5  Адгезия ...................................................................................... 276
10.3  Электрофоретическое покрытие ........................................................ 277
 
10.3.1  Природа заряда поверхности ................................................... 277
 
10.3.2  Механизм осаждения ............................................................... 279
 
10.3.3  Рабочие параметры ................................................................... 281
 
10.3.4  Преимущества и недостатки .................................................... 283
10.4  Химическая модификация покрытий ................................................ 283

6
Оглавление

 
10.4.1  Фосфатирование ....................................................................... 284
 
10.4.2  Хроматирование ....................................................................... 287
 
10.4.3  Анодирование ........................................................................... 288
 
10.4.4  Выбор металла субстрата .......................................................... 292
 
Ссылки ................................................................................................. 292

Глава 11. Электрохимические методы защиты ...........................................293
11.1   Изменение скорости коррозии под действием внешней ЭДС .......... 293
11.2  Растворимый анод ............................................................................... 294
11.3  Требования к напряжению ................................................................. 295
11.4  Аноды с засыпкой ............................................................................... 301
11.5  Ток, необходимый для защиты от коррозии ...................................... 301
11.6  Применение защитных покрытий ...................................................... 303
11.7   Коррозионная активность и удельное сопротивление среды ........... 306
11.8  Системы с растворимым анодом ........................................................ 309
11.9  Условия, необходимые для защиты .................................................... 314
11.10 Анодная защита ................................................................................... 315
 
Ссылки ................................................................................................. 319

Глава 12. Экспериментальные методы испытания и оценки ........................320
12.1  Предмет испытаний и оценок ............................................................ 320
12.1  Классификация испытаний ................................................................ 321
12.3  Лабораторные испытания ................................................................... 321
12.4  Подготовка образцов .......................................................................... 322
12.5  Методика экспонирования ................................................................. 323
12.6  Оценка ущерба от коррозии ............................................................... 325
12.7  Ускоренные коррозионные испытания ............................................. 326
 
12.7.1  Испытания во влажной атмосфере ......................................... 327
 
12.7.2  Испытания погружением ......................................................... 328
 
12.7.3  Испытания в солевом тумане ................................................... 330
12.8  Электрохимические методы ............................................................... 333
 
12.8.1   Измерение скорости коррозии методом 
экстраполяции Тафеля ............................................................. 336
 
12.8.2   Измерение скорости коррозии по уравнению 
Штерна-Гири ............................................................................ 339
 
12.8.3  Амперметр с нулевым сопротивлением ................................... 341
 
12.8.4   Рассчёт поляризационного сопротивления 
по спектру импеданса ............................................................... 343
 
Ссылки ................................................................................................. 343

 

 

7
Оглавление

ПРЕДИСЛОВИЕ

Представляемое учебное пособие написано Р. Ангалом, крупным 
специалистом в области коррозии, который уже осуществил множество проектов, связанных с защитой от коррозии, и продолжает успешно работать 
в этой области. Разумеется, никакая книга о коррозии не может обойтись без 
введения фундаментальных понятий электрохимии: электродного потенциала, 
поляризации и перенапряжения электродов, двойного электрического слоя. Для 
наилучшего понимания процесса коррозии и факторов, влияющих на его скорость, автор пользуется диаграммами коррозии: так называемыми диаграммами 
Эванса и диаграммами Пурбэ. Несмотря на то, что любая коррозия представляет собой принципиально один и тот же электрохимический процесс передачи 
электронов от металла их акцептору, принято выделять множество её разновидностей, отличающихся друг от друга различными деталями и обстоятельствами, 
в которых протекает процесс коррозии. В книге представлен детальный обзор 
видов коррозии: контактная, щелевая, межкристаллитная, нитевидная, эрозионная коррозия, селективное выщелачивание, коррозионное растрескивание 
под напряжением, питтинг-коррозия, фреттинг-коррозия, водородное растрескивание, а также коррозионная усталость и блуждающие токи. Отдельной 
главы удостоились коррозионные процессы и окисление при высоких температурах, поскольку они требуют особого внимания в специальных применениях металлов: двигателях ракет и самолётов, а также газовых турбинах. Задача 
поиска новых материалов для подобных применений, а также совершенствование имеющихся является актуальнейшей проблемой комплекса наук о коррозии. В книге также представлен обзор материалов, подверженных коррозии. 
Помимо испокон веков применяемых человечеством железа и сплавов на его 
основе, прежде всего, чугуна и стали, здесь представлены имеющие широкое 
распространение традиционные конструкционные материалы, такие как бронза, 
латунь и алюминий, а также материалы, получившие распространение относительно недавно, такие как никель и его сплавы.
В части защиты от коррозии подробно представлены традиционные способы. Особое внимание автор уделяет методам подготовки поверхности перед 
нанесением на неё защитных покрытий. Отдельная глава посвящена методам 
электрохимической защиты от коррозии: так называемым катодной и анодной 
защите. Эти методы предназначены для защиты крупногабаритных (морские 
платформы и буровые установки, а также корпуса кораблей) и протяжённых 
(магистральные и транспортные трубопроводы) конструкций. Важно отметить, 
что катодная защита не может быть эффективной без сочетания её с другими 
методами борьбы с коррозией. Книгу завершает подробное обсуждение электрохимических методов исследования коррозии, применяемых как для непосредственного измерения скорости коррозии, так и для контроля катодной защиты.

Александр Калашников

Г Л А В А
1

СУТЬ ПРЕДМЕТА

1.1  
ВВЕДЕНИЕ

Развитие науки и техники привело к широкому проникновению 
в нашу жизнь металлов и сплавов, зачастую эксплуатирующихся в крайне 
жёстких условиях. Дело в том, что за исключением благородных все металлы 
довольно реакционноспособны, поэтому получение их в чистом виде из 
естественного состояния представляется весьма и весьма непростым делом. 
Поскольку все конструкционные металлы присутствуют в природе в химически связанном состоянии, в чистом виде они являются неустойчивыми. 
Чтобы получить их в чистом виде, нам приходится затрачивать немалую 
энергию. Обратный же процесс, в котором чистые металлы переходят в своё 
химически связанное состояние, всегда термодинамически выгоден, т.е. 
происходит самопроизвольно. Металлы при любой возможности стремятся 
вступить в реакцию со своим окружением и перейти в свою устойчивую 
форму. Этот процесс известен под названием коррозия. Коррозии подвержены все конструкционные металлы. В связи с этим процесс коррозии 
иногда именуют обратной металлургией.

 

Металл в химически 
связанном состоянии
Коррозия 
(действие окружающей среды)

Чистый металл

Металлургия

Конструкционные металлы эксплуатируются в самых разнообразных 
условиях, многие из которых ускоряют процесс коррозии. Будучи самопроизвольным процессом, коррозия происходит в самых разных местах, при 
самых разных обстоятельствах и имеет самые разные проявления. Например, 
коррозия стали идёт как внутри железобетонных конструкций, так и во 
время её хранения. Вблизи морских побережий, в так называемом прибрежномвоздухе, почти все металлы подвергаются быстрой коррозии. Металлы, 

применяемые в высокотемпературных условиях, например в реактивных 
двигателях и турбинах, помимо действия окружающей среды подвержены 
ещё и влиянию высокой температуры.
Почти все химические производства, например: целлюлозно-бумажное 
и нефтеперерабатывающее, а также производство красителей и пигментов, 
ядохимикатов, лекарственных средств, удобрений, используют металлы 
и сплавы в качестве материалов для разного рода оборудования: смесителей, 
реакторов, теплообменников и трубопроводов. Поскольку в этом случае 
металлы и сплавы находятся в постоянном контакте с разнообразными 
химическими реагентами, выбор материала для химического оборудования 
не может быть произвольным. Прежде чем тот или иной материал будет 
можно использовать, необходимо провести его всесторонние испытания. 
Эти испытания необходимо проводить не только с целью выяснения срока 
службы того или иного изделия, но и на предмет выявления возможных катастрофических отказов. К счастью, в настоящее время доступно достаточное 
количество литературы, посвящённой вопросам совместимости различных 
металлов и сплавов в самых разнообразных условиях. Фактически, тем, кто 
будет использовать оборудование достаточно всего лишь обратиться к этой 
литературе до того, как оно поступит в эксплуатацию.

Менее 0,012
0,012 – 0,05
 0,05 – 0,12
 0,12 – 0,25
Более 0,25

Скорость коррозии 
(мм/год)

Рис. 1.1. Карта коррозии в Индии (любезно предоставлена Центральным электрохимическим исследовательским институтом, Карайкуди, шт. Тамилнад)

10
Глава 1. Суть предмета