Использование неорганического композиционного покрытия для ремонта противокоррозионной защиты стальных конструкций*

Разработанная паста в отличие от широко известных составов для удаления продуктов коррозии стали позволяет без демонтажа конструкции удалить продукты коррозии со стальной поверхности без образования на ней оксидных или солевых плёнок, повышающих электросопротивление стальной поверхности. На подготовленную с помощью пасты стальную поверхность наносится неорганическое композиционное покрытие, электрохимически защищающее стальное изделие от атмосферной коррозии с высокой защитной способностью (более 5000 ч экспозиции в камере соляного тумана).
Ключевые слова: паста для удаления ржавчины, неорганическое композиционное покрытие, протекторная защита, защитная способность, коррозионные испытания.

*Работа выполнена в рамках реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [1], раздел 17.2. Шликерные, газодинамические и комбинированные покрытия для деталей из углеродистых сталей, в том числе высокопрочных.

ВВЕДЕНИЕ

Решение проблемы надёжности и долговечности машин и механизмов, экономного расходования материалов, энергии и трудовых ресурсов неразрывно связано с обеспечением эффективной защиты поверхностей деталей и конструкций от коррозии [1].

Коррозионные поражения являются основной причиной разрушения металлических конструкций и сооружений. Это приводит к большим экономическим потерям в связи с тем, что стоимость металлоконструкций, как правило, превышает стоимость самого металла. Особое значение имеют коррозионные поражения, возникающие на окрашенных стальных изделиях, так как в этом случае коррозия основного металла продолжается под лакокрасочным покрытием и может привести к существенному нарушению механических свойств металла, прежде чем она будет обнаружена.

По причине позднего обнаружения коррозии стали после отделения окрасочного слоя обнаруживаются существенные коррозионные поражения с большим количеством продуктов коррозии (ржавчины). В этом случае восстановление лакокрасочного покрытия на стальном изделии сопряжено не только с удалением старого лакокрасочного покрытия, но и с удалением продуктов коррозии.

Своевременная защита стальных изделий от коррозионных повреждений – одно из главных направлений для увеличения долговечности и надёжности металлоконструкций [2,3]. Наиболее широко применяемые гальванические цинковые и кадмиевые покрытия, а также алюминидные покрытия обладают рядом существенных недостатков, одним из которых является невозможность нанесения защитного покрытия на крупные металлоконструкции или отдельные их элементы без демонтажа конструкции [1,4-6].

За последнее время за рубежом и в нашей стране большой интерес в качестве защитных антикоррозионных покрытий привлекают металлонаполненные или протекторные покрытия на основе неорганических связующих [7,8]. Во ФГУП «ВИАМ» разработано неорганическое композиционное покрытие [9,10]. В предыдущих статьях [11,12] было отмечено, что оно обладает высокой защитной способностью (более 10000 ч в камере соляного тумана) в условиях атмосферной коррозии при температурах эксплуатации вплоть до 460°С.

Покрытие наносится на стальные детали методом пневматического распыления с последующим термоотверждением и лёгкой шлифовкой. Отмечается ремонтопригодность покрытия.

Ценные качества неорганического композиционного покрытия – невысокая стоимость, устойчивость к влажным и агрессивным средам, возможность его применения во всех климатических условиях, в контакте с различными минеральными маслами и простота его нанесения позволяют применять такое покрытие для нанесения противокоррозионной защиты без демонтажа всей конструкции [13,14].

Целью данной работы являлась разработка состава пасты для удаления продуктов коррозии стали и подготовки поверхности для нанесения неорганического композиционного покрытия на поржавевший участок стального изделия.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для исследований использовали плоские образцы из стали 30ХГСА, размером 100×150 мм по 3-5 образцов на каждую точку испытаний. Для нанесения неорганического композиционного покрытия использовали суспензию алюминиевого порошка в алюмохромфосфатном связующем.

Покрытие наносили в соответствии с [10]. С помощью мультиметра цифрового Fluke 17В+ измеряли поверхностное (оба щупа мультиметра располагали на одной стороне образца на расстоянии 1см друг от друга) и сквозное (оба щупа мультиметра располагали на противоположных сторонах образца) электросопротивление поверхностных слоёв. Защитную способность покрытий определяли методом ускоренных коррозионных испытаний в камере солевого тумана (КСТ) по ГОСТ 9.308-85 метод 1.

Фотографии образцов были выполнены при помощи камеры Canon EOS 600D с объективом EFS 60 mm f/2.8 MacroUSM.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Актуальной проблемой на сегодняшний день является ремонт металлоконструкций путём нанесения на них новых защитных покрытий или восстановления имеющегося покрытия.

Большие габариты изделий диктуют применение таких технологий ремонта защитного покрытия, которые затрагивают только повреждённый участок, не требуют трудоёмкого демонтажа конструкции и осуществление которых обходится без применения дорогостоящих средств и оборудования. К таким методам относится пневматическое напыление неорганического композиционного покрытия.

В работах [13,14] показано, что для обеспечения эффективной противокоррозионной защиты композиционным покрытием необходимо обеспечить протекторный характер защиты. В связи с этим при удалении продуктов коррозии стальной основы необходимо избежать образования на поверхности детали оксидных или солевых плёнок, повышающих электросопротивление стальной поверхности и тем самым нарушающих протекторные свойства неорганического композиционного покрытия.

Большинство известных средств (паст, растворов, преобразователей ржавчины) для удаления продуктов коррозии низкоуглеродистой стали в своём составе содержат фосфорную кислоту, в которой скорость удаления ржавчины и окалины сопоставима со скоростью их растворения в растворе соляной кислоты и существенно выше, чем в растворах серной кислоты. Кроме того, в растворе фосфорной кислоты практически отсутствует растравливание стали.

Результатом использования таких средств для удаления ржавчины является образование на стальной поверхности фосфатного слоя. Этот слой является хорошей основой для нанесения лакокрасочных покрытий.

Но в случае восстановления противокоррозионной защиты с помощью неорганического композиционного покрытия такое свойство известных средств является неприемлемым. В силу своего высокого электросопротивления фосфатный слой прерывает электрический контакт неорганического композиционного покрытия со сталью и тем самым исключает электрохимическую защиту.

В связи с тем, что нанесение неорганического композиционного покрытия в целях восстановления противокоррозионной защиты не требует применения специального оборудования и может быть проведено на месте без разбора металлоконструкции, удаление продуктов коррозии также необходимо проводить на месте. В этом случае применение растворов не допустимо. Следует применять пасты на основе растворов для снятия продуктов коррозии, не допускающие попадания агрессивных компонентов в окружающую среду.

Для загущения растворов возможно применение соединений на основе полисахаридов (целлюлоза, декстрин, крахмал), а также порошков на основе пирогенного диоксида кремния SiO2, поступающими в продажу под марками Аэросил А175, 200, 300 и 380. Аэросил (асил) – очень лёгкий, высокодисперсный, высокоактивный, аморфный, экстремально мелкозернистый порошок, с размером частиц от 5 до 40 нм. Пожаро- и взрывобезопасное, химически инертное вещество не оказывает общетоксического действия. При добавлении аэросила, жидкость приобретает свойство тиксотропности. Для жидкостей такого типа характерно уменьшение вязкости с увеличением скорости перемешивания: при перемешивании пасты она становится жидкообразной, после нахождения в состоянии покоя в течение 2–3-х часов паста загустевает до исходных показателей вязкости. Кроме того, она обладает свойствами бингамовской жидкости, поэтому паста, нанесённая на вертикальную поверхность слоем толщиной 1-2 мм, не стекает вниз.

Для обеспечения однородности состава и лучшей смачиваемости поверхности деталей пастой целесообразно добавление в состав поверхностно-активных веществ типа ОС-20, синтанол ДС, «Прогресс». Добавление ПАВ позволяет уменьшить количество аэросила, добавляемого в пасту.

Основное назначение пасты – растворение продуктов коррозии стальных изделий – ржавчины. Продукты коррозии состоят из гидратированного оксида железа (III) Fe2O3•nH2O и метагидроксида железа (FeO(OH), Fe(OH)3). Для удаления продуктов коррозии с поверхности углеродистых низколегированных сталей используются в основном растворы минеральных кислот (серная, соляная). Наиболее эффективной из которых является соляная кислота вследствие высокой степени диссоциации в растворах и хорошей растворимости образующихся солей – хлоридов, которые легко удаляются с поверхности. Как было указано выше, применение фосфорной кислоты в рассматриваемом случае неприемлемо.

Концентрированные растворы соляной кислоты обладают резким удушливым запахом. Применение больших концентраций соляной кислоты в растворах и пастах для удаления продуктов коррозии значительно ухудшает условия труда и не применимо для внутренних работ и работ с крупногабаритными деталями.

Поэтому для удаления продуктов коррозии стали при подготовке повреждённой поверхности к нанесению на неё неорганического композиционного покрытия использовали пасту на основе смеси серной и соляной кислот.

При концентрации кислот свыше 50г/л продукты коррозии стали лучше растворяются в соляной, чем в серной. В последней из них продукты коррозии удаляются в значительной мере благодаря нарушению её связи с металлом в результате подтравливания и разрыхления выделяющимся при реакции водородом. В соляной кислоте, в отличие от серной, удаление ржавчины происходит преимущественно за счёт её химического растворения. Учитывая различный характер воздействия кислот на железо и окислы, целесообразно применять для удаления продуктов коррозии смеси указанных кислот.

На рисунке 1 показана эффективность удаления ржавчины в смеси кислот по сравнению с использованием отдельных кислот. Видно, что после обработки в смеси кислот стальная поверхность становится более чистой.

Рисунок 1. Внешний вид стальных образцов до (а) и после обработки пастой, содержащей Н2SO4 100 г/л (б); HCl 100 г/л (в), Н2SO4 50 г/л + HCl 50 г/л (г).

Для исследований были выбраны составы с общим содержанием кислот, не превышающим 100 г/л.

В качестве загустителя применялся аэросил марки А380 с концентрацией 150 г/л. Для улучшения смачиваемости поверхности в пасту добавлялся ОС-20 с концентрацией 1 г/л.

При обработке ржавой стальной поверхности как в серной, так и в соляной кислоте помимо растворения соединений железа происходит травление основного металла, которое сопровождается нежелательными побочными процессами:

  • перетравливание поверхности, неравномерный съём металла, увеличение микрошероховатости, что ухудшает внешний вид изделий;
  • наводороживание стали, что ухудшает её механические свойства – значительно повышается хрупкость, уменьшается вязкость, ухудшаются упругие характеристики.

Для подавления реакции травления стальной основы в травильные растворы вводят ингибиторы коррозии, которыми служат некоторые соли и органические соединения. Наиболее сильное ингибирующее действие оказывают органические соединения – смолы, алифатические амины, производные ароматических и гетероциклических соединений, спирты, сульфитные щелоки. Для соляной кислоты рекомендуются: уротропин, катапин, продукты конденсации анилина с уротропином ПБ-5, бензиламина с уротропином БА-6, И-1-А, И-1-В, КПИ; для серной кислоты – смесь хинолиновых соединений – ЧМ, БА-6, катапин, уротропин [15]. В состав разрабатываемой пасты, содержащей смесь серной и соляной кислот, в качестве ингибитора коррозии включили уротропин в количестве 20 г/л. Причём в пасту его вводили в виде раствора ингибированной соляной кислоты, выдержанной в течение суток.

В процессе растворения продуктов коррозии образуются сульфаты и хлориды железа, рост концентрации которых приводит к снижению скорости растворения ржавчины. В пасте замедление растворения продуктов коррозии стали существенно усиливается вследствие больших диффузионных затруднений как в подводе к обрабатываемой поверхности кислот, так и в отведении сульфатов и хлоридов железа вплоть до достижения их предельной концентрации в тонком слое пасты, прилегающем к поверхности металла, и выпадении в осадок на обрабатываемой поверхности.

Для повышения растворимости продуктов коррозии в кислотном растворе в него вводили лиганды. Железо, будучи переходным элементом, является типичным комплексообразователем и образует достаточно большое количество комплексных соединений. Способность к комплексообразованию более характерна для соединений железа (III), которые и составляют основную часть продуктов коррозии, образующихся в процессе эксплуатации деталей.

Образование прочных комплексов с соединениями железа способствует связыванию продуктов коррозии стали в растворимые соединения и, как следствие, повышает эффективность применяемых кислот. В качестве лигандов были исследованы органические кислоты (янтарная, щавелевая, лимонная кислоты и трилон Б), способные образовывать прочные комплексные соединения с ионами Fe+3 в кислой среде.

На рисунке 2 показана эффективность удаления ржавчины с помощью пасты, содержащей смесь серной и соляной кислот 100 г/л, аэросил А380 150 г/л, ОС-20 1 г/л, уротропин 20 г/л и лиганд 35 г/л. Видно, что наиболее эффективно удаляет ржавчину паста, содержащая трилон Б.

Рисунок 2. Внешний вид стальных образцов до (а) и после обработки пастой, содержащей б – янтарную кислоту, в – щавелевую кислоту, г – лимонную кислоту, д – трилон Б.

Как уже было в начале сказано, для возможности проведения ремонта с применением неорганического композиционного покрытия необходимо сохранить протекторный характер защиты, который обеспечивается малым электросопротивлением системы: очищенная поверхность стали – неорганическое композиционное покрытие. В связи с этим необходимо избежать образования на поверхности очищенной стали плёнки, снижающей электропроводность. Такой результат достигается после обработки ржавой стальной поверхности разработанной пастой.

Для подтверждения этого образцы из стали 30ХГСА с коррозионными поражения были обработаны разработанной пастой, содержащей серную кислоту 50 г/л, соляную кислоту 50 г/л, уротропин 20 г/л, аэросил А380 150 г/л, ОС-20 1 г/л, трилон Б 35 г/л. Исходный и после обработки пастой внешний вид образцов представлен на рисунках 3А и 3Б. После этого было измерено поверхностное и сквозное электросопротивление поверхности обработанных образцов в местах, отмеченных на рисунке 3В. В таблице 1 представлены значения электросопротивления поверхности стальных образцов после удаления продуктов коррозии.

Рисунок 3. Внешний вид образцов из стали 30ХГСА: а – исходное состояние, б – после удаления продуктов коррозии пастой, в – схема расположения мест измерения электросопротивления.

Таблица 1. Значения электросопротивления стальной поверхности после удаления продуктов коррозии.

Результаты измерений показывают, что величина электросопротивления поверхности после её обработки пастой незначительно превышает величины электросопротивления поверхности образца после пескоструйной очистки. Это свидетельствует о полном удалении продуктов коррозии и отсутствии пассивирующих оксидных или солевых плёнок, которые могли бы затруднить электрический контакт поверхности стали с защитным неорганическим композиционным покрытием. Следовательно, неорганическое композиционное покрытие, нанесённое на ржавую стальную поверхность после обработки разработанной пастой, будет выполнять электрохимическую защиту стали в атмосферных условиях.

Для подтверждения возможности восстановления противокоррозионной защиты на ржавых стальных изделиях плоские образцы из стали 30ХГСА с продуктами коррозии на своей поверхности были обработаны разработанной пастой, после чего на них было нанесено неорганическое композиционное покрытие. После этого образцы были испытаны в камере соляного тумана. Внешний вид образцов на разных стадиях их обработки представлен на рисунке 4.

Рисунок 4. Внешний вид образцов из стали 30ХГСА: а – исходное состояние, б – после нанесения пасты, в – после удаления пасты, г – после нанесения неорганического композиционного покрытия, д – после 5000 ч ускоренных коррозионных испытаний в КСТ.

Проведённые ускоренные коррозионные испытания в камере соляного тумана образцов с неорганическим композиционным покрытием, нанесённым на очищенную от ржавчины разработанной пастой поверхность стальной детали, показали высокую защитную способность: продуктов коррозии стали не обнаружено после 5000 ч (около 7 месяцев) испытаний.

Аналогичным способом проводят восстановление противокоррозионной защиты при местном поражении коррозией оцинкованной стальной поверхности. На рисунке 5 представлены этапы ремонта участка оцинкованной стальной поверхности, поражённого коррозией.

Рисунок 5. Внешний вид участка оцинкованной стали размером 100×50 мм: а – в исходном состоянии; б – после удаления продуктов коррозии с помощью пасты; в – после нанесения неорганического композиционного покрытия.

Таким образом, неорганическое композиционное покрытие в силу своих высоких защитных свойств и простоты нанесения пригодно не только для ремонта самого себя, но и для восстановления утраченной противокоррозионной защиты.

ВЫВОДЫ

  1. Для удаления продуктов коррозии со стальной поверхности без образования на ней оксидных или солевых плёнок, повышающих электросопротивление стальной поверхности, без демонтажа конструкции целесообразно применять разработанную пасту.
  2. В состав пасты входят: смесь серной и соляной кислот для растворения продуктов коррозии стали без удушливого запаха, уротропин для предотвращения перетрава стальной основы и её наводороживания, аэросил для обеспечения возможности обработки вертикальных поверхностей без попадания компонентов в окружающую среду, ОС-20 для улучшения смачиваемости обрабатываемой поверхности, трилон Б для повышения эффективности травящего действия.
  3. Технология ремонта стальных деталей с применением разработанной пасты с последующим нанесением неорганического композиционного покрытия обеспечивает высокий уровень защиты от коррозии (более 5000 ч экспозиции в КСТ) и может быть рекомендована для восстановления систем противокоррозионной защиты стальных конструкций без их демонтажа.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии, 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
  2. Каблов Е.Н. Шестой технологический уклад //Наука и жизнь, 2010. № 4. С. 2–7.
  3. Каблов Е.Н., Старцев О.В. Фундаментальные и прикладные исследования коррозии и старения материалов в климатических условиях (обзор) // Авиационные материалы и технологии, 2015. №4. (37) С.38-52. DOI 10.18577/2071-9140-2015-0-4-38-52.
  4. Виноградов С.С. Создание экологически безопасного гальванического производства. //Экология и промышленность России. 1997. Ноябрь.С.21-22
  5.  Гальванотехника: Справ. изд. Ажогин Ф.Ф., Беленький М.А., Галль И.Е. и др. — М.: Металлургия, 1987. 736 с.
  6. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Медведев И.М. Обзор зарубежного опыта исследований коррозии и средств защиты от коррозии // Авиационные материалы и технологии, 2015. №2. С. 76-87. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-2-76-87.
  7. Inorganic Coating And Bonding Composition. pat. 3248251 US; publ.Apr. 26,1966.
  8. Phosphate Bonded Aluminum Coatings. pat. 6074464 US; publ. Jun.13, 2000.
  9. Состав для получения защитного покрытия на стальных деталях: пат. 2480534 Рос. Федерация; опубл.27.04.2013.
  10. Способ нанесения защитного покрытия на стальные детали: пат. 2510716 Рос. Федерация; опубл. 10.04.2014.
  11. Демин С.А., Виноградов С.С., Губенкова О.А., Каримова С.А. Термостойкое неорганическое композиционное покрытие для защиты от коррозии углеродистых сталей // Мир гальваники. 2013. № 2(24), С. 28-31.
  12. Виноградов С.С., Дёмин С.А., Кириллова О.Г. Коррозионное поведение неорганического композиционного покрытия и его ремонт // Мир гальваники. 2016. № 2 (33). С. 24-31.
  13. Виноградов С.С., Демин С.А., Кириллова О.Г. Электрохимическая защита от коррозии с помощью неорганического композиционного покрытия системы алюминий–фосфаты // Авиационные материалы и технологии, 2016. № S2 (44). С.28-38.DOI: 10.18577/2071-9140-2016-0-S2-28-38.
  14. Виноградов С.С., Никифоров А.А., Дёмин С.А., Чесноков Д.В. Защита от коррозии углеродистых сталей // Авиационные материалы и технологии, 2017. № S. С. 242-263. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-242-263.
  15. Грилихес C.Я. Обезжиривание, травление и полирование металлов / Под ред. П.М. Вячеславова. Изд 5-е, перераб. и доп. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние. 1983. 101 с.

АВТОРЫ

  1. Демин Семен Анатольевич, инженер 1 категории ФГУП «ВИАМ». Тел.: 8(495) 366-71-92 E-mail: cemeh86@yandex.ru
  2. Виноградов Сергей Станиславович, доктор технических наук, начальник сектора ФГУП «ВИАМ». Тел.: 8(495) 365-57-45 E-mail: 1vss@mail.ru
  3. Вдовин Александр Ильич, инженер ФГУП «ВИАМ». Тел.: 8(495) 366-71-92 E-mail: alilvdovin@gmail.com

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Угроза целостности трубопровода из-за почвенной коррозии
Угроза целостности трубопровода из-за почвенной коррозии
В данной статье рассматривается практический пример проблем с коррозией наземного трубопровода, вызванных совместным воздействием подстилающего…
Умайр Ниаз, М. Хуссейн
03.10.2022
84
Защита от коррозии аппарата нефтепереработки
Защита от коррозии аппарата нефтепереработки
Из-за сложных смесей органических материалов и кислых газов в сочетании с колебаниями температуры, эрозии и…
Роб Коул
01.09.2022
71
Однокомпонентные гидрофобные связующие для антикоррозионных грунтовок и покрытий, наносимых непосредственно на металлы
Томас Бернхофер, Ян Пилгер
01.06.2021
235
Экологически безопасная эксплуатация стального моста – роль окраски в оценке жизненного цикла
Экологически безопасная эксплуатация стального моста – роль окраски в оценке жизненного цикла
Значение защитных покрытий в предотвращении разрушения стальных конструкций сложно оценить количественно, однако исследование, проведенное в…
CEPE.
22.01.2020
678
<strong>Защита от коррозии и база данных реестра утечек</strong>
Защита от коррозии и база данных реестра утечек
База данных реестра утечек — это список выявленных утечек, содержащий соответствующие данные об утечках.
Али Моршед
29.11.2022
44
Влияния ультрафиолетового излучения на уложенные в штабеля трубы с наплавленным эпоксидным покрытием ч.1
Влияния ультрафиолетового излучения на уложенные в штабеля трубы с наплавленным эпоксидным покрытием ч.1
В этой статье рассказывается о втором этапе программы масштабного ремонта труб, хранящихся в Северной Америке,…
Кит И.У. Колсон, Джеймс Фергюсон
17.11.2021
131
Цементирующие покрытия для ремонта и защиты бетона
Цементирующие покрытия для ремонта и защиты бетона
Разрушение бетона происходит повсеместно и может серьезно отразиться на долговечности железобетонных конструкций. Основное химическое воздействие…
Грэм Джеймс, Крис Ллойд
31.08.2021
246
Влияния ультрафиолетового излучения на уложенные в штабеля трубы с наплавленным эпоксидным покрытием ч.2
Влияния ультрафиолетового излучения на уложенные в штабеля трубы с наплавленным эпоксидным покрытием ч.2
В этой статье рассказывается о втором этапе программы масштабного ремонта труб, хранящихся в Северной Америке,…
Кит И.У. Колсон, Джеймс Фергюсон
17.11.2021
413
Технология обнаружения коррозии, которая может помочь предотвратить утечки
Технология обнаружения коррозии, которая может помочь предотвратить утечки
Мы разработали технологию, которая позволяет постоянно контролировать состояние труб, что, как мы надеемся, в первую…
30.11.2022
41