Современные методы защиты металла от коррозии

Развитие инфраструктуры предполагает металлоемкое строительство мостов, автомобильных и железных дорог, идет строительство жилой и промышленной недвижимости. Если пренебречь защитой металлических изделий от коррозии, то уже через два года им может потребоваться замена. Если же защита недостаточно эффективная, приходится учитывать возможную коррозию и завышать прочность и сечения несущих конструкций. Это увеличивает расход металла и приводит к дополнительным затратам.

Основная часть спроса на сталь (75–80%) приходится именно на строительство, причем не только в сортовом, но и в плоском прокате. Чтобы рационально использовать бюджеты проектов, необходимо минимизировать и потери от коррозии, увеличив сроки эксплуатации и безремонтной службы объектов. При использовании технологий защиты от коррозии экономия может достигать 3–4% от ВВП России. Поэтому рынок антикоррозийной защиты постоянно развивается.

Системы антикоррозийной защиты подбираются исходя из множества факторов. Среди наиболее значимых можно выделить свойства материала защищаемой конструкции, требования по продолжительности эксплуатации объекта, которая формирует ожидаемую отдачу от покрытия, эстетические требования к внешнему виду, метод подготовки поверхности и способ нанесения, экологические требования.

Причины коррозии и ее последствия

В идеальных условиях окружающей среды любой металл сохраняет свои характеристики в течение длительного времени. Даже если в составе материала нет дополнительных полезных примесей, отсутствие внешних воздействий позволяет сохранять прочность и жесткость конструкции. В реальных условиях эксплуатации такого добиться практически невозможно, и на металл негативно влияет множество факторов. Среди них:

• повышенная влажность воздуха;
• выпадение осадков на незащищенную поверхность стали;
• блуждающие токи на поверхности изделия;
• повышенное содержание химически активных элементов в атмосфере.

На начальном этапе окисления на поверхности металла появляются яркие пятна, впоследствии металл полностью покрывается ржавчиной. Если не противостоять распространению ржавчины, со временем коррозия проникает внутрь изделия, полностью разрушая его.

Различают несколько типов коррозийных процессов. Коррозия стали может быть химической и электротехнической. В первом случае атомы металла и окислителя вступают в реакцию и образуют прочные связи. Образовавшаяся структура не проводит электричество, в отличие от не подвергшегося изменениям материала изделия. Для электротехнической коррозии характерно полное разложение металла, который становится непригоден к дальнейшей эксплуатации.

Кроме химической и электротехнической, можно выделить и другие виды коррозии:

• наиболее часто встречается газовая коррозия, протекающая при высокой температуре и минимальном содержании влаги в рабочей среде;
• атмосферная коррозия развивается при нахождении металлического изделия в газовой среде высокой влажности;
• влияние биологических микроорганизмов также может быть причиной окисления металла;
• при взаимодействии металлов с разным составом и стационарным потенциалом коррозия может возникнуть в точках соприкосновения изделий;
• радиоактивное излучение приводит к разрушению структуры стали и развитию коррозийных процессов.

В большинстве случаев сложно выделить единственный вид коррозии, ухудшающий состояние металлоконструкций. Разрушение и деградация стали чаще всего вызваны влиянием нескольких факторов. Единственным способом исключить или снизить скорость распространения коррозии является защита материала специальными составами и средствами.

Варианты защиты

Наиболее надежным способом для исключения коррозии является использование в производстве специальных марок стали, не подверженных окислению. Однако это зачастую невыгодно из-за стоимости подобного материала. В таком случае приходится обеспечивать своевременную и надежную защиту стали от окисления и внимательно следить за состоянием металла на протяжении эксплуатации.

Каждая из существующих методик обладает достоинствами и недостатками в различных условиях. Выбор способа защиты обусловлен текущим состоянием стальных конструкций, интенсивностью развития коррозии, условиями эксплуатации металлических изделий.

Самым простым и наиболее распространенным способом является механическая поверхностная обработка стали. Конструкция окрашивается эмалями и красками с высоким содержанием алюминия. В результате полностью перекрывается доступ окружающего воздуха к металлу. Простота и невысокая стоимость технологии являются ее основными достоинствами. К минусам можно отнести недолговечность покрытия и необходимость периодически его обновлять.

Химическая обработка стали является надежным способом защиты от коррозии. На поверхности создается тонкая и прочная пленка, наличие которой предотвращает проникновение к металлу влаги и других негативных сред. Технология применяется только с использованием специальных средств, а ее стоимость выше стоимости предыдущей методики, поэтому она годится не для всякого проекта.

Металлизация и легирование, то есть нанесение слоя цинка, хрома, серебра или алюминия, также очень надежны. Этот способ позволяет создать на поверхности стали дополнительный слой металла, устойчивого к воздействию окружающей среды. Способ обработки меняется в зависимости от используемого сплава, эффективность метода доказана на практике.

Однако для многих металлоконструкций и изделий, работающих в замкнутом пространстве, гораздо выгоднее создать благоприятные условия. В таких случаях используется технология вакуумирования, в камеру закачивают специализированные газы. В результате исключается контакт металла и агрессивной окружающей среды, процессы коррозии полностью отсутствуют.

Какая бы технология ни была выбрана, бороться с коррозией необходимо сразу после начала эксплуатации металлических изделий. В противном случае окисление металла будет необратимым, изделие придется ремонтировать или полностью менять гораздо раньше требуемого срока эксплуатации.

Исследования и открытия

Из-за важности и широкого использования технологий защиты от коррозии в промышленности не прекращаются изыскания в этой области. Только за последний год можно насчитать десяток значимых открытий в отечественной науке.

В октябре был открыт способ защиты нефтяных труб от коррозии. Ученые Балтийского федерального университета (БФУ) им. Канта с коллегами из Восточно-Казахстанского технического университета создали новое антикоррозийное покрытие.

– Ученые БФУ имени Иммануила Канта синтезировали микрочастицы на основе меди и серебра, стабилизированные яблочным пектином. Эксперименты показали, что такие частицы эффективно связывают серосодержащие органические соединения. Поскольку вещества, содержащие атомы серы, присутствуют в составе нефти и приводят к коррозии металлов, разработка поможет уберечь трубопроводы и другое оборудование, контактирующее с нефтью, от преждевременного разрушения, – сообщила пресс-служба Минобрнауки РФ.

В сентябре 2024 г. был разработан подход, позволяющий подбирать оптимальный состав легирующих добавок для сплавов железа и родия, которые можно использовать для создания магнитных охлаждающих установок. Об этом сообщила пресс-служба Института искусственного интеллекта AIRI.

– Созданный российской командой метод основан на использовании квантово-механических расчетов и классического машинного обучения. Ученые разработали набор алгоритмов, который позволяет анализировать энергетические характеристики сплавов с включением третьего элемента. Команда также разработала набор данных для дальнейшего обучения нейросетей и их применения в анализе других сплавов и материалов, – сказано в сообщении.

В августе 2024 г. в Пензе был создан метод, позволяющий увеличить устойчивость металлоизделий к коррозии. Разработанный подход превосходит известные технологические решения, считают в ПГУ.

Пензенские ученые разработали новый способ гальванического цинкования, который позволит увеличить износостойкость металлоизделий и сделать их более устойчивыми к коррозии.

– В подведомственном Минобрнауки России Пензенском государственном университете готовы предложить промышленникам новый способ гальванического цинкования. Теперь металл для изготовления деталей во всех отраслях промышленного производства металлоизделий, проката и строительных конструкций станет более устойчивым к коррозии, износостойким и защищенным. Способом заинтересовалось крупное промышленное предприятие Пензенской области, – сообщили в вузе.

Гальваническое цинкование – широко используемый, действенный и экономичный способ защиты от коррозии. Он применяется для защиты стальных и чугунных конструкций, деталей машин, а также бытового и промышленного оборудования. Этот метод также улучшает внешний вид изделий.

В том же месяце в Новосибирске ученые из Института теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН создали композитный материал с люминофорами – веществами, которые способны преобразовывать поглощенную энергию в световое излучение. Такой материал может быть применен для отслеживания деформации в строительстве, сообщило официальное издание СО РАН «Наука в Сибири».

– Специалисты создали образцы полимерных композитов, наполненных частицами люминофора. При подробном изучении таких материалов выяснилось, что они могут использоваться не только в качестве источника для освещения в городской инфраструктуре, но и применяться в строительной и промышленной сфере в качестве самостоятельных материалов, а также использоваться для диагностики деформации строительных конструкций, – пишет «Наука в Сибири».

Материалы, разработанные специалистами ИТПМ СО РАН, можно использовать в качестве датчиков для диагностики состояния конструкций. Эти датчики способны определять структурные повреждения, такие как деформации и разрушения, как на поверхности, так и внутри зданий, мостов, балок и в местах сварки трубопроводов.

Датчики будут выявлять зарождающиеся трещины и деформации, подсвечивая их. Свет будет виден, даже если датчик находится внутри конструкции, а не на ее поверхности. Информация о начале разрушения будет передаваться по оптоволокну, подключенному к датчику, на приемное устройство в виде светового сигнала.

Сами конструкции могут быть изготовлены из полимерных композитов, что позволит еще легче обнаруживать деформации, так как сами материалы будут светиться.

В марте 2024 г. тоже в Новосибирске был создан новый метод защиты металлов от коррозии. В пресс-службе Новосибирского госуниверситета отметили, что этот метод представляет собой значительный шаг вперед в области гальванического покрытия и может найти применение в различных отраслях промышленности

Специалисты Высшей инженерной школы Новосибирского государственного университета создали уникальные добавки для предотвращения коррозии гальванических покрытий металлов.

– В ходе исследований, проведенных в Центре компетенций «Экологический инжиниринг» ПИШ НГУ, было установлено, что использование тиомочевины (органическое соединение углерода, азота, серы и водорода) и N-октилпиридиния бромида (вещество на основе углеводорода и брома) улучшает характеристики гальванического осаждения меди, олова и их сплавов. Добавки позволяют увеличить катодную поляризацию в сернокислых электролитах, что способствует улучшению качества покрытий и их долговечности, – говорится в сообщении пресс-службы университета.

Этот метод является значительным прогрессом в области гальванического покрытия и может найти множество применений в различных отраслях промышленности. Улучшение характеристик процесса покрытия приводит к созданию более качественных и долговечных покрытий, что, в свою очередь, снижает производственные затраты, улучшает качество продукции и повышает конкурентоспособность на рынке. «Данный метод может быть особенно полезен в таких отраслях промышленности, как микроэлектроника, производство печатных плат, антикоррозионная отделка и декоративное покрытие», – добавили в пресс-службе.