Основные положения теоретического курса

1.1 Введение в дисциплину. Понятие о процессе коррозии и его сущность

Среди множества окислительно-восстановительных реакций (ОВР), протекающих в природе и в различных технологических системах, значительную роль играют процессы коррозии. В переводе с латинского коррозия означает "разъедание".В общем случае коррозии – это разрушение любого материала: металла, бетона, керамики, дерева, полимера и т.п.

В современных промышленных отраслях, в том числе в нефтегазовой отрасли, наиболее важными и распространенными конструкционными материалами являются металлы и их сплавы, которые при контакте с агрессивной средой неизбежно подвергаются коррозии. Основной конструкционный материал – это железо и сплавы на его основе, т.е. различные стали и чугуны. Все более широкое внедрение получают также сплавы меди, алюминия, никеля, титана, хрома и других металлов, на подходе – материалы на основе тантала, циркония, рения, германия, тория, иридия и пр.

Коррозия металлов – это химическое, электрохимическое или биохимическое взаимодействие металлического материала и агрессивной окружающей среды, приводящее к ухудшению эксплуатационных свойств материала, среды или технической системы. Агрессивной средой могут быть газы, влажный воздух, растворы, жидкие и твердые вещества.

Коррозия металлов – это сложный физико-химический окислительно-восстановительный процесс, который протекает на поверхности металла и заключается в окислении металла веществами окружающей среды.

Коррозия – это сложный необратимый, и при этом крайне негативный процесс, так как он приводит к ухудшению прочности, герметичности, надежности, внешнего вида и других полезных свойств оборудования, аппаратов, конструкций и трубопроводов. В РФ 40-50 % машин и сооружений работают в агрессивных средах, 30 % – в слабоагрессивных, и только около 10 % не требует активной антикоррозионной защиты. При этом степень удовлетворенности России средствами защиты от коррозии существенно ниже требуемой. Так, потребность в лакокрасочных изделиях и ингибиторах удовлетворяется лишь на 50 %, а потребность в трубах с покрытиями – менее чем на 30 %. Поэтому около 10 % всего производимого металла безвозвратно теряется вследствие разрушающего действия коррозии.

Прямые экономические потери от коррозии:

1) стоимость заменяемых металлических конструкций и механизмов или их частей;

2) стоимость коррозионно стойких металлов и сплавов, применяемых вместо нестойких материалов;

3) стоимость различных видов защиты от коррозии.

Косвенные экономические потери:

1) расходы, связанные с ремонтом, простоем или отказом от работы оборудования из-за аварий, произошедших в результате коррозии;

2) расходы, связанные с простоем оборудования во время замены его частей, подвергшихся коррозии;

3) расходы на ликвидацию последствий указанных аварий;

4) потери полезных продуктов, например, утечки нефти и газа из трубопроводов;

5) загрязнение продукции продуктами коррозии, а значит, снижение их качества. Лидерами являются нефтедобыча, транспорт нефтепродуктов, нефтехимическая и химическая промышленности;

6) потери производительности оборудования, например при засорении труб ржавчиной;

7) завышенные припуски при проектировании деталей, например увеличение толщины изделия с припуском на коррозию.

Убытки от коррозии металлов и затраты на защиту от нее в развитых странах достигают ~ 4-6 % национального дохода. При этом потери металла составляют от 10 до 20 % годового производства стали. В РФ ежегодные потери металлов вследствие коррозии составляют до 12 % от их общей массы, что соответствует утрате до 30 % ежегодно производимого металла.

Проблема особенно значительна для нефтегазовых сооружений, которые эксплуатируются в условиях постоянного воздействия агрессивных углеводородных и разнообразных технологических средств. Анализ причин отказов и аварий нефтегазовых сооружений свидетельствует о превалирующем влиянии коррозионного фактора. Так, по причине коррозионных повреждений в системах добычи и транспорта нефти происходит 70 % отказов, в газопроводах – около 40 %, во внутрипромысловых трубопроводах – 95 %.

В связи с этим поиск и широкое внедрение оптимальных способов защиты металлических материалов и изделий от коррозии является чрезвычайно актуальной задачей.

1.1.1 Сущность процесса коррозии

Металл, подвергающийся коррозии, называют корродирующим металлом; среда, в которой происходит коррозионный процесс –коррозионной средой; химические соединения, образующиеся при взаимодействии металла и окружающей среды – продуктами коррозии. Способность металлов сопротивляться воздействию среды называется коррозионной стойкостью, или химическим сопротивлением материала.

Коррозионные процессы протекают на границе раздела двух фаз – металла и окружающей среды, которая может быть жидкой, газообразной и даже твердой. Поэтому коррозия – это гетерогенный процесс, который всегда начинается на поверхности металла и в дальнейшем распространяется вглубь. Процессы или средства, применяемые для уменьшения или прекращения коррозии металлов, называют противокоррозионной защитой.

Закономерности процесса коррозии определяются общими законами термодинамики и кинетики гетерогенных систем. Движущей силой коррозии является термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию компонентов окружающей среды. Поэтому коррозия протекает самопроизвольно (DG<0, т.к. DH<0 и S>0) и приводит к разрушению металла по реакции

Met⁰ – ne → Met⁺ⁿ,

при этом металлы могут разрушаться частично или полностью. В основе этого процесса лежат химические и электрохимические реакции, а в некоторых случаях и механическое воздействие окружающей среды. Химическая энергия коррозионного разрушения металлов выделяется в виде тепла и рассеивается в окружающем пространстве.