Скорость коррозии металла в грунте

Поиск по сайту

Строительство

Подземная коррозия труб и металлоконструкций

Скорость подземной коррозии стали существенно варьируется в зависимости от типа грунта и расположения металлоизделия в почве и может колебаться от менее чем 20 микрон в год при благоприятных условиях до 200 микрон в год и более в очень агрессивных грунтах. Прогнозирование подземной коррозии является непростой задачей, поскольку из-за различных физических и химических свойств почвы очень сложно предсказать скорость коррозии даже на участках, расположенных в непосредственной близости.

К основным свойствам грунтов, влияющих на интенсивность подземной коррозии металла относят степень аэрации, содержание влаги (или временную влажность), рН среды, температуру и электрическое сопротивление почвы, играющее значительную роль в протекании коррозионных процессов, вызываемых блуждающими токами. В целом считают, что песчаные, хорошо газированные грунты с нейтральной или слабощелочной средой могут вызвать лишь ограниченную коррозию, с которой успешно справляется цинковое покрытие металла (менее 10 мкм в год).

Один из самых простых способов классификации грунтов на агрессивность является визуальная оценка цвета почвы. Красные, желтые или светло-коричневые почвы свидетельствуют о присутствии окисленного железа, что соответствует хорошо газированным грунтам. Почвы с ограниченной аэрацией, как правило, более агрессивны по отношению к цинковым покрытиям и стали.

Размер частиц грунтов играет очень важную роль в формировании интенсивности коррозии и долговечности защитного покрытия стали, поскольку именно величина фракций почвы определяет качество и скорость аэрации, а также время контакта влаги с металлом. По размерам частицы почв условно делятся на три категории: песок (0,07 — 2 мм), ил (0,005 — 0,07 мм) и глины (<0,005 мм). В песчаных почвах большой размер фракций позволяет воздуху легче мигрировать и способствует быстрому удалению остаточной влаги осадков, тем самым уменьшая время контакта ее с металлом.

Высокий уровень бактерий в грунтах обуславливает большое потребление кислорода, в результате чего почва плохо аэрируется, влага задерживается в грунте и скорость коррозии металла или защитного покрытия возрастает. Кислотность почв колеблется в пределах от рН 2.6 до рН 10.2. Оптимальными для стали с защитным покрытием являются грунты с нейтральной и слабощелочной средой, у которых рН менее 4. Вместе с тем, полагаться на одноразовое измерение рН почвы нельзя, поскольку обильные осадки увеличивают кислотность грунта, причем тем в большей степени, чем меньше аэрация, размер фракций и больше уровень бактерий.

В роли катализатора коррозионных процессов выступает температура грунтов — скорость коррозии удваивается при повышении температуры от 4 до 20 градусов Цельсия. Однако низкая температура приводит к увеличению удельного сопротивления грунта. А в результате этого более интенсивно протекают процессы питтинговой коррозии, вызываемой блуждающими токами от контактных сетей железнодорожных и трамвайных линий, электрооборудования и т.д.

Для защиты от коррозии стальных конструкций подземного расположения и трубопроводов используют оцинкование способом погружения в горячий расплав цинка, термодиффузионное нанесение покрытий, металлизацию цинком напылением и механическое нанесение цинконаполненных красок. Долговечность и эффективность того или иного покрытия определяется не только толщиной защитного слоя, но и его микроструктурой.

Наиболее действенными на сегодняшний день считаются способы горячего оцинкования в расплавах и термодиффузионного нанесения покрытий, дающие за счет интенсивной диффузии цинка в металл прочные сплавы цинка и железа (интерметаллиды), устойчивые к механическим воздействиям. В качестве основных метериалов для приготовления расплава и сухой среды в термодиффузионном оцинковании используется цинковый порошок (пыль) по ГОСТ 12601-76 или цинковая проволока по ГОСТ 13073-77 (для горячего оцинкования).

Горячее оцинкование и термодиффузионное нанесение защитных покрытий имеют свои недостатки. При горячем оцинковании поверхность металла подвергается тщательной многостадийной обработке, получаемое покрытие имеет неодинаковую толщину, не допустимо оцинкование изделий сложной формы с закрытыми внутренними карманами, полостями, а также порами, сварными швами внахлест и т.д.

Термодиффузионное нанесение покрытий ограничено размерами вращающихся барабанов, в которых изделия или детали контактируют с сухим цинковым порошком. Однако защитный слой имеет одинаковую и прогнозируемую толщину по всему изделию, что дает возможность обрабатывать резьбовые элементы, а предварительная подготовка поверхности сведена к минимуму – грубой очистке от дефектов.

Скорость коррозии металла в грунте

Проведенный обзор взаимосвязи факторов агрессивности грунта по отношению к металлическим подземным коммуникациям, в частности, к трубопроводам приводит к выводу, что для измерения скоростей подземной коррозии и определения агрессивности грунта наряду с традиционным гравиметрическим методом ( весьма трудоемким и длительным по времени), применим метод линейной поляризации с измерением средней плотности катодного тока (Ik) см. ГОСТ 9.602-89., так как именно величина плотности Ik, сочетая все неоднозначности взаимовлияния факторов агрессивности, для данной проблемы будет являться обобщенным критерием опасности коррозии (таблица 2).

Таблица 2 — Коррозионная агрессивность грунта по отношению к углеродистой и низколегированной стали

Коррозионная агрессивность грунта

Удельное электрическое сопротивление грунта, ОмЧм

Во-первых, величины удельного электросопротивления грунта, соответствующие указанным значениям, на практике, как правило, имеют с характеристику «кажущиеся». То есть получаются с помощью косвенных измерений показаний на глубине прокладки подземной коммуникации, за счет выдерживания расстояния между измерительными электродами равным соответствующей глубине прокладки. При этом естественная неоднородность грунта и, соответственно, его проводимость будет объективно вносить определенную погрешность. Чем больше глубина залегания, например, трубопровода тем существенней методологическая погрешность измерения.

Во-вторых, как указывалось выше, функция скорости коррозии совсем не обязательно пропорциональна или обратно пропорциональна величине удельного сопротивления грунта, а также другим значениям величин, характеризующих перечисленные факторы коррозионной активности. Безусловно, с нашей точки зрения, с чем мы можем, согласиться, в определении коррозионной агрессивности грунта по значению сгр., так это с тем, что если значение измеренного удельного электрического сопротивления грунта выше 130 Ом*м, то опасность почвенной коррозии — низкая. В то же время, как показывает опыт полевых электроизмерительных диагностических работ на подземных трубопроводах лабораторией неразрушающего контроля ООО «НТЦ «Нефтегаздиагностика», для грунтов с сгр менее 100 Ом*м, коррозионная агрессивность и проводимость грунта имеют гораздо меньшую зависимость, чем агрессивность и пористость, а также кислотность или количество растворенных солей. Соответствующие результаты были получены методом линейной поляризации и измерением средней плотности катодного тока (Ik) по ГОСТ 9.602-89. с помощью разработанного и изготовленного в ООО «НТЦ «Нефтегаздиагностика» малогабаритного устройства для проведения катодной поляризации образцов трубной стали в пробах грунта, взятого непосредственно в шурфах в полевых условиях. Устройство состоит из двух блоков: блока контрольно-измерительного (БКИ) (см.фото) и блока-ячейки для послойной укладки пробы грунта, изготовленной из листовой стали с внутренним изоляционным покрытием пленкой типа: «поликен», а также медно-сульфатного неполяризующегося электрода сравнения и двух электродов катодной поляризации из трубной стали, с площадью рабочей поверхности каждого электрода 10 см2; габариты блока-ячейки: 160ммЧ120ммЧ110мм.

Габариты БКИ: 115ммЧ75ммЧ75мм, напряжение питания: 3 В (два элемента типа — АА); индикация силы тока поляризации по 3 диапазонам: 0 — 50 мкА; 0 — 250 мкА; 0 — 500 мкА. Масса устройства: 280 г[3].

На рисунке 14. отображены графики двух поляризационных кривых, характеризующих изменение естественных потенциалов поляризации, одинаковых металлических пластин электродов (размер — 10 см2, масса, материал, отшлифованная рабочая поверхность), установленных в пробе указанного грунта на расстоянии — 2 см друг от друга, углубленных на 1 — 1,5 см от поверхности, без наложения катодного тока.

Рисунок 14 — Поляризационные кривые рабочего и вспомогательного э-дов, без наложения Ik. (Грунт аэрированный, влажность 20%, содержащий 3% раствор NaCl, температура: 250оС, удельное электросопротивление: сгр. = 22 Ом*м)

Из рисунка видно, что уже в начальный момент времени различие в поляризации пластин относительно электрода сравнения составило около 0,045 В, то есть образовался гальванический элемент и междуэлектродная разность потенциалов, практически, не менялась в течение 15 часов, при этом потенциалы катода- кривая 2 и анода-1 в отдельности становились более отрицательными в течении 2 часов, до установления равновесного процесса образования диффузионно-барьерного слоя. При этом ток протекающий по цепи, через измерительную головку составлял примерно 10 мкА. Поляризационные кривые рабочего и вспомогательного электродов изображены на рисунке 15.

Рисунок 15 — Поляризационные кривые рабочего и вспомогательного э-дов, без наложения Ik. (Грунт аэрированный, влажность 12%, не содержащий раствор NaCl, температура 250С, удельное электросопротивление: сгр. = 90 Ом*м)

На рисунке 15 отображены графики поляризации тех же пластин, в таком же грунте, но проба грунта менее влажная и не содержит раствора NaCl, при этом удельное сопротивление составляло — 90 Ом*м. Из графиков видно, что величина начальной поляризации пластин существенно меньше, а разность потенциалов между анодом, кривая-1, и катодом, кривая-2, составляет тысячные доли вольта. Как и в предыдущем случае, процесс поляризации продолжался в течение 2 часов, без изменения смещения разности электродных потенциалов, до установления равновесного процесса образования диффузионно-барьерного слоя. При этом ток, протекающий по цепи, через измерительную головку в начале процесса составлял 2,5 мкА, а в конце, практически, был равен нулю.

Приведенные диаграммы подтверждают термодинамическую возможность коррозии металла за счет взаимодействия с окружающей средой и образования электродных потенциалов. Причем, чем выше разность междуэлектродных потенциалов (т.е. э.д.с. гальванических элементов), тем больше возможность его суммарной реакции.

Следует отметить, что термодинамическая возможность коррозии не является мерой скорости коррозионного процесса. Высокому значению э.д.с. не всегда соответствует высокая скорость коррозии, то есть указанное условие является необходимым, однако не является достаточным. Этот существенно важный момент, зависящий от совокупности факторов коррозионной активности, рассмотренных выше, наглядно, отображается на графиках поляризационных кривых (рисунок 16).

Из графиков видно, что поляризация электродов сохраняет ту же закономерность, как и в предыдущих двух рассмотренных случаях, то есть длится около 2 часов, переходя из экспоненциальной зависимости в линейную. Но при этом, особенность процесса состоит в том, что начальная э.д.с. пары анод-катод, (канал 1 и канал 2), в данном грунте также велика, как и в случае (рисунок 14), однако, в течение последующих 5 часов процесса поляризации, электродная э.д.с. уменьшается до нуля, коррозионный гальванический ток пары также стремится к нулю. В то время как в аэрированном грунте, температурой 250С, влажностью 20%, содержащем 3% раствор NaCl и с удельным сопротивлением сгр. = 22 Ом*м, коррозионный ток со временем не падал и электродная э.д.с., по сравнению с начальной, не уменьшалась.

Рисунок 16 — Поляризационные кривые рабочего и вспомогательного э-дов, без наложения Ik. (Грунт неаэрированный-глинистый, влажность 30%, содержащий раствор 20% NaCl, температура:250С, удельное электросопротивление: сгр. = 2,8 Ом*м)

Иными словами, коррозионная агрессивность грунта рис.4. значительно выше агрессивности грунта рис.6., хотя проводимость грунта существенно больше во втором случае, чем в первом, при этом проба грунта (рисунке 15), наименее агрессивна.

То есть для грунта (рисунок 15), скорость коррозионного процесса может характеризоваться величиной удельного сопротивления грунта.

Однако, в общем случае, наиболее объективным критерием коррозионной агрессивности грунта, согласно изложенного выше, может являться только величина средней плотности катодного тока Ik, А/м2 значения которого для различных почвенных образцов приведены в ГОСТ 9.602-89, см. таблицу 3.

Таблица 3 — Коррозионная агрессивность грунта

Почвенная коррозия

Почвенная коррозия – разрушение металла в почве. Ежегодные потери металла вследствии протекания почвенной коррозии достигают 4%.

Почвенной коррозии подвергаются различного назначения трубопроводы, резервуары, сваи, опоры, кабеля, обсадные трубы скважин, всякого рода металлоконструкции, эксплуатируемые в почве.

Почва – очень агрессивная среда. Она состоит из множества химических соединений и элементов, многие из них только ускоряют коррозионный процесс. Агрессивность почвы (грунта) зависит от некоторых факторов: влажность, аэрация, пористость, рН, наличие растворенных солей, электропроводность.

Классификация грунтов по коррозионной активности:

— высококоррозионные грунты (тяжелые глинистые, которые длительное время удерживают влагу);

— практически инертные грунты в коррозионном отношении (песчаные почвы).

Влияние различных факторов на почвенную коррозию

Влияние влажности грунта на почвенную коррозию металла.

Влага в почве присутствует почти везде. Где-то ее больше, а где-то меньше. Именно влажность грунта очень сильно влияет на скорость почвенной коррозии, превращая почву в электролит. Она же вызывает электрохимическую коррозию находящихся в грунте металлоконструкций. Вода в грунте может быть: капиллярной, гравитационной, связанной. Капиллярная влага собирается в порах грунта. Высота подъема ее по капилляру зависит от диаметра пор. Капиллярная влага сильно влияет на скорость почвенной коррозии. Связанная влага на скорость почвенной коррозии не влияет, т.к. находится в виде гидратированных химических соединений. Под действием силы тяжести в грунтах и почвах постоянно перемещается вода, которая оказывает, как и капиллярная, значительное влияние на скорость почвенной коррозии.

Максимальная скорость почвенной коррозии наблюдается при влажности грунта 15 – 25%. Это объясняется уменьшением омического сопротивления коррозионных элементов. С повышением влажности почвы анодный процесс проходит легче (за счет затруднения пассивации поверхности металла), а катодный – труднее (грунт насыщается влагой, затрудняется его аэрация). Влажность, при которой наблюдается наибольшая скорость коррозии, называют критическим показателем влаги для грунта. Для глинистых грунтов он составляет около 12 – 25%, для песчаных 10 – 20%.

Пористость (воздухопроницаемость) грунта

Пористость (воздухопроницаемость) грунта влияет на способность длительное время сохранять влагу и аэрацию. Воздухопроницаемость зависит от состава грунта, его плотности, влажности. Грунты, хорошо пропускающие воздух (песчаные), более агрессивны. В песчаных грунтах катодный процесс протекает с облегчением. На практике бывают случаи, когда подземный трубопровод большой протяженности проходит через разного вида грунты.

Если он проходит последовательно в песчаной, а потом глинистой почве, где условия аэрации металлической поверхности очень различаются, то возникают аэрационные микрогальванические коррозионные зоны. Поверхность трубопровода в песчаной зоне будет играть роль катода, а глинистой – анода. Разрушение металла будет происходить на анодных участках, где затруднен доступ кислорода к поверхности. Интересно, что катодная и анодная зоны могут находится на расстоянии больше сотни метров. При этом коррозионный процесс будет отличаться омическим торможением.

Кислотность грунта.

Для большинства грунтов значение рН составляет 6,0 – 7,5. Высококоррозионными являются почвы, рН которых сильно отличается от данного значения. К ним относятся торфяные, болотистые грунты, значение рН которых составляет 3 – 6. А также щелочные солончаки и суглинки, с рН почвы 7,5 – 9,5. Очень агрессивной средой по отношению к сталям, свинцу, меди, цинку является чернозем, содержащий органические кислоты.

Одна из самых агрессивных почв – подзол. Сталь в подзоле корродирует в 5 раз быстрее, чем в других грунтах.

Кислотность грунтов ускоряет почвенную коррозию, т.к. вторичные продукты коррозии становятся более растворимы, существует возможность дополнительной катодной деполяризации ионами водорода.

Электропроводность грунта.

Электропроводность грунта зависит от его минералогического состава, количества влаги и солей в почве. Каждый вид грунта имеет свое определенное значение электропроводности, оно может колебаться от нескольких единиц до нескольких сотен Ом на метр. Соленость грунта оказывает огромное влияние на его электропроводность. С увеличением содержания солей легче протекают анодный и катодный электродные процессы, что снижает электросопротивление. Почти всегда определив электропроводность грунта можно судить о его степени коррозионной агрессивности (для стали, чугуна). Исключение составляют водонасыщенные почвы.

Минералогический состав и неоднородность грунта.

Минералогический состав и неоднородность грунта оказывают большое влияние (как и влажность) на омическое сопротивление. В глинисто-песчаном влажном грунте удельное сопротивление почвы составляет около 900 Ом•см, а в таком же грунте, только сухом – 240000 Ом•см. С уменьшением удельного сопротивления грунта его агрессивность увеличивается.

Минерализация почвы может колебаться в пределах 10 – 300 мг/л.

Неоднородность грунта приводит к возникновению гальванопар, которые только усиливают почвенную коррозию, делают разрушение неравномерным.

Влияние температуры грунта на почвенную коррозию металлов. Температура может колебаться в очень больших пределах. Зимой, когда свободная вода, заполняющая капилляры в почве замерзает — скорость почвенной коррозии немного уменьшается. Это также связано с плохой аэрацией поверхности металла. В летнее время, когда на улице стоит жара, скорость почвенной коррозии может замедлятся также, что объясняется высыханием почвы. Самый большой ущерб почвенная коррозия наносит в межсезонье, когда грунт достаточно влажный, созданы оптимальные условия для протекания коррозионного процесса. Температура грунта зависит от времени года, географической широты, времени суток, погоды.

Значительное различие температур на конструкции, имеющей большую протяженность (подземный трубопровод) может быть причиной образования термогальванических коррозионных пар, которые обеспечивают усиление местной почвенной коррозии.

Влияние микроорганизмов на почвенную коррозию металлов.

В почве живут и развиваются два вида микроорганизмов: аэробные (могут существовать только при наличии кислорода), анаэробные (для обеспечения их жизнедеятельности кислород не требуется). Они оказывают огромное влияние на почвенную коррозию металлов. Почвенная коррозия металлических сооружений, вызванная жизнедеятельностью живых микроорганизмов носит название биологическая (биокоррозия) либо биохимическая.

Аэробные микроорганизмы (почвенные) существуют двух видов: одни принимают непосредственное участие в осаждении железа, другие – окисляют серу. Оптимальными условиями для существования анаэробных серобактерий является кислая среда (3 – 6 рН). Серобактерии окисляют сероводород в серу, а потом — серную кислоту по следующим уравнениям:

2H2S + O2 = 2H2O + S2;

S2 + 2H2O + 3O2 = 2H2SO4.

В местах наибольшего количества серобактерий концентрация серной кислоты может достигать 10%. Это очень сильно ускоряет почвенную коррозию, особенно стали.

При рН грунта около 4 – 10 развиваются бактерии, перерабатывающие железо. Эти бактерии в процессе своей жизнедеятельности поглощают ионы железа, а выделяют нерастворимые соединения, содержащие Fe. В местах скопления железобактерий наблюдается большое количество нерастворимых железистых соединений, которые увеличивают гетерогенность поверхности. Это явление также оказывает большое влияние на скорость почвенной коррозии.

Анаэробные микроорганизмы могут вырабатывать углеводороды, сероводород, угольную кислоту и множество других химических соединений. Они могут разрушать защитные покрытия, воздействовать на ход анодной и катодной реакции, менять характеристики почвы.

Среди анаэробных микроорганизмов самыми опасными можно считать сульфатредуцирующие бактерии. Оптимальные условия для их существования, почва со значением рН 5,5 – 8 (болотные, глинистые, илистые грунты). Бактерии восстанавливают сульфаты, содержащиеся в почве. Этот процесс можно описать следующим уравнением:

MgSO4 + 4H = Mg(OH)2 + H2S + O2.

Выделившийся кислород обеспечивает протекание реакции на катоде. Сероводород и сульфиды в почве являются причиной появления на поверхности эксплуатируемой конструкции рыхлого слоя сульфида железа.

Коррозия носит питтинговый характер.

Механизм и особенности почвенной коррозии металлов

Почвенная коррозия почти всегда протекает по электрохимическому механизму (исключения составляют лишь очень сухие грунты).

Анодный процесс при почвенной коррозии – разрушение металла. На катоде же проходит кислородная деполяризация. Чаще всего кислородная деполяризация проходит с затрудненным доступом кислорода к поверхности корродирующего изделия. Подвод кислорода может осуществятся несколькими способами: диффузией в жидкой или газообразной среде или направленным течением этих фаз, перемешиванием фаз при помощи конвекции.

Во влажном грунте процесс проходит с преимущественно катодным контролем, а сухих рыхлых почвах — анодным. Иногда, при работе протяженных микропар может наблюдаться катодно-омический контроль.

На катоде также может проходить и водородная деполяризация (только в условиях кислых грунтов). Существенно изменить ход коррозионного процесса могут и микроорганизмы.

Подземную коррозию делят на грунтовую коррозию и электрокоррозию (коррозию блуждающими токами). Подземная коррозия менее опасна, чем разрушение под воздействием блуждающих токов.

Особенности почвенной коррозии металлов:

— значительное влияние омического сопротивления грунта;

— возникновение коррозионных микро и макропар;

— язвенный характер разрушения.

Методы защиты от почвенной коррозии

Защиту от почвенной коррозии можно разделить на активную (электрохимическую) и пассивную (изоляция изделия от воздействия окружающей среды, специальные способы укладки и т.д.).

Для защиты металлоизделий от почвенной коррозии применяются самые разнообразные методы. Очень часто, особенно в высококоррозионых грунтах, применяют комплексную защиту от подземной коррозии.

Основные методы защиты металлоконструкций от почвенной коррозии: нанесение защитных покрытий и изоляция изделий, создание искусственной среды, электрохимическая защита, применение специальных методов укладки.

Нанесение защитных покрытий. Изоляция

Для защиты от почвенной (грунтовой) коррозии наиболее эффективным и широко используемым является нанесение защитных изоляционных покрытий. К таким покрытиям предъявляются следующие требования: оно должно быть сплошным, без трещин, царапин; иметь хорошую адгезию с металлоподложкой; быть химически стойким; отличаться высокими диэлектрическими свойствами; сохранять свои защитные свойства при воздействии положительных и отрицательных температур (от -50 до +50 °С); не содержать коррозионно-активных по отношению к основному металлу агентов; обладать высокой биостойкостью, механической прочностью.

Защитные покрытия могут быть полимерными и мастичные. К мастичным относятся каменноугольное, битумное. К полимерным – покрытия из липких изоляционных лент, расплавы, накатываемые эмали и т.д.

Покрытие, применяемое для защиты от почвенной коррозии, должно полностью изолировать готовую конструкцию от воздействия окружающей среды. Для изоляции подземных трубопроводов очень часто используют битумные покрытия различной толщины (6 мм – усиленное, 3 мм – обычное, 9 мм – очень усиленное). Широкое распространение получили петролатумные, цементные, каменноугольно-пековые, полиэтиленовые, поливинилхлоридные защитные покрытия. Последние отличаются отличными защитными и изолирующими способностями, долгим сроком службы, но не из самых дешевых. Самыми слабыми защитными свойствами обладает цементное покрытие.

Создание искусственной атмосферы

Этот метод применяют достаточно редко, в основном для трубопроводов большой протяженности. Это связано с большими транспортными затратами, трудностью его реализации (необходимо большое количество работников, техники, достаточно много времени).

Протяженные подземные сооружения могут проходит через разные виды почв, что интенсифицирует коррозионный процесс. Суть метода заключается в том, чтоб создать однородный грунт по всей протяженности конструкции (засыпая, например, весь трубопровод песчаным грунтом) либо уменьшить агрессивность почвы на определенных участках. Для этого кислые грунты могут известковать.

Электрохимическая защита металла от почвенной коррозии

Электрохимическая защита заключается в принудительном создании катодной либо анодной поляризации. При совместном применении электрохимический защиты и защитных покрытий, затраты на первую весьма невелики.

В практике защиты металлов от почвенной коррозии очень часто применяется катодная защита. Металлоконструкции сообщают определенный отрицательный электрический потенциал, который затрудняет термодинамику окисления металла. Это существенно снижает (сводит к минимуму) скорость почвенной коррозии. Осуществить катодную поляризацию можно используя специальные установки: протекторные, катодные.

Протекторная защита заключается в подсоединении к изделию электродов из металла, который в данной среде более электроотрицателен. Для защиты стали от подземной коррозии протекторами могут служить алюминий, его сплавы, цинк, магний.

Катодная защита – создание катодной поляризации при помощи внешнего источника тока (генераторы постоянного тока, батареи, выпрямители). По всей протяженности трубопровода ставят специальные станции катодной защиты.

Специальные методы укладки

Очень часто при прокладке трубопровода, а также других сооружений для защиты их от воздействия грунтовых вод, самого грунта используют специальные способы укладки. Трубопровод или кабель может быть помещен в специальный коллектор (при этом кабель укладывают на неметаллическую подкладку), защитный кожух (часто из железобетонных плит или металла).

Вышеописанные методы применимы только для защиты изделий от влияния грунта и подземных вод.

Методы определения скорости коррозии. Результаты коррозии металла.

Методы определения скорости коррозии. Результаты коррозии металла.

По какому бы типу ни протекала коррозия, в результате ее металл разрушается. Прежде всего страдает внешний вид изделия: гладкая отполированная поверхность становится тусклой, затем шероховатой и, наконец, покрывается различными химическими соединениями — продуктами коррозии. Она проникает и в глубь металлических изделий, окончательно разрушая их.

Метод определения потери веса металла. Потери от коррозии.

Для определения величин коррозийной устойчивости разных металлов, используют несколько шкал оценок. Самый распространенный метод оценки по потере веса металла. Метод заключается в взвешивании детали до того, как она подвергается коррозии, а затем после удаления коррозии с поверхности детали, по разности веса вычисляют потерю металла. Принято, например, считать металл вполне стойким, если потери в весе вещества не более 0,1 г с 1 м 2 /ч поверхности. При потере металла от 3 до 10 г · м 2 /ч металл считают малостойким, при большей потере — нестойким.

Определение скорости коррозии металла.

Иногда коррозионную стойкость определяют по количеству выделившегося водорода, например, при растворении металла в кислотах.

Для этой цели применяют простой прибор, схема которого изображена на рисунке 1

Образец металла, предварительно обработанный соответствующим образом, погружают в раствор электролита, например кислоты, накрывают воронкой, на которую одета бюретка. Бюретку наполняют тем же раствором кислоты. Выделяющийся газ (обычно водород) через воронку попадает в бюретку и вытесняет из нее раствор кислоты. По количеству выделившегося водорода, а также по скорости его выделения судят о коррозионной стойкости металла. Этот метод часто используют для определения скорости протекания химического взаимодействия металла с такими кислотами, как серная, соляная, а также иногда для определения характеристики растворения алюминия и цинка в растворах щелочей и кислот.

Рис. 1. Прибор для определения

скорости коррозии по количеству

выделяющегося водорода.

Результаты коррозии металла.

Однако методы оценки коррозионных разрушений по потере веса или по выделению водорода не всегда дают представление как о характере самого процесса коррозии, так и о возможных ее последствиях.

Равномерная коррозия металлов.

Совершенно очевидно, что при одном и том же количестве разрушенного металла (потере веса) больший вред от коррозии будет в том случае, если в отдельных местах ржавление проникло в глубь металла, а не распределено равномерно по всей поверхности. Поэтому по результатам коррозии различают несколько видов, или, как говорят, типов, коррозионных разрушений.

Рис. 2. Равномерная коррозия труб.

Почти всегда коррозия распределяется по всей поверхности детали. Такой тип коррозии называется равномерным. Это наиболее распространенный тип коррозии, который проявляется на открытом воздухе. Так, например, ржавеют железные трубы и другие изделия. Если снять слой ржавчины с железной трубы или какого-нибудь болта, то под ним обнаружится шероховатая поверхность металла, но эта шероховатость одинакова по всей поверхности изделия (рис. 2).

Коррозия язвами.

В отдельных случаях коррозия разрушает металл отдельными неравномерными пятнами (рис. 3).

Рис. 3. Местная коррозия (разрез):

а – коррозия пятнами; б – язвенная коррозия.

Серьезную опасность доставляет коррозия в виде язв, она образуется на разных участках друг от друга и глубоко корродирует, вся остальная поверхность металла остается без коррозии.

Точечная коррозия металлов. Питтинговая коррозия.

Рис. 4. Питтинговая коррозия.

Не менее ужасный вид — это точечная коррозия. Её ещё называют питтинговая. Она почти не заметна, зато глубоко проникает в металлические предметы. Такая коррозия, чаще всего встречается на железных крышах в виде тоненьких отверстий, как будто проткнутых тонкой иглой. Объясняется это тем, что в больших городах в воздух выбрасывается большое количество мельчайших частичек несгоревшего угля (сажи). Эти частички оседают на поверхности железных листов крыши, а уголь, как вам известно, хорошо притягивает (адсорбирует) некоторые газы, которые, растворяясь, создают незначительное количество электролита иногда очень большой концентрации в виде кислоты или солей, в этих условиях железо легко разрушается. Но это разрушение местное и глубоко проникающее внутрь железа, вплоть до того, что железные листы в отдельных случаях корродируют насквозь (рис. 4).

Межкристаллитная коррозия нержавеющих сталей.

Рис. 5. Межкристаллитная коррозия нержавеющей стали.

Очень опасен тип межкристаллитной коррозии, т. е. когда разрушению подверглось межкристаллитное вещество, цементирующее кристаллы в прочный металл. При межкристаллитной коррозии металл не подвергается внешнему изменению, он становится хрупким и при ударе разлетается на мелкие частички. Такая коррозия характерна для нержавеющих сталей и некоторых видов чугуна (рис. 5).

Коррозионное растрескивание металла.

Рис. 6. Коррозионное растрескивание латунных патронов под действием агрессивной среды.

При некоторых условиях возникает коррозионное растрескивание, при котором создаются коррозионные трещины, распространяющиеся не только по границам зерен кристаллов металла, но и прорезывающие даже тело самого кристаллита (рис. 6).

Избирательная коррозия металлов.

У кое-каких сплавов металлов встречается избирательная коррозия. Так, если сплав металла состоит из двух или более металлов, то коррозии подвергается один из этих металлов, и его поверхность постепенно обогащается другим металлом. К избирательной коррозии относится обесцинкование латуни — сплава из меди и цинка. В раствор переходит главным образом цинк, а поверхность его обогащается медью. Это легко наблюдать, так как обесцинкование сопровождается покраснением сплава за счет увеличения меди на поверхности.

К избирательной коррозии относится также такая коррозия, когда преимущественно разрушается какая-либо одна структура, составляющая данный сплав. Например, при растворении стали в кислотах разрушается феррит, т. е. железо, а более устойчивыми являются карбиды (соединение железа с углем). Она наблюдается при коррозии чугунов.

Линейная коррозия металлов.

И, наконец, одним из видов коррозионных разрушений является так называемая линейная коррозия. С этим типом коррозии можно ознакомиться на сравнительно простом опыте; на тонкую пластинку железа нанесите каплю парафина или менделеевской замазки, погрузите ее в 10-процентный раствор соляной или серной кислоты. Наблюдайте, что будет происходить. Вы заметите, что пузырьки водорода будут выделяться преимущественно на границе раздела (отсюда и название — линейная коррозия) между парафином и металлом, т. е. коррозия будет протекать по линии соприкосновения парафина с металлом. Если вы оставите эту пластинку на сутки в растворе, то металл прокорродирует настолько глубоко, что из него выпадает пластинка с очертанием капли парафина. Если же вынуть пластинку из раствора раньше, до того, как металл прокорродировал насквозь, и снять каплю парафина, то обнаружится, что вокруг капли образуется борозда, представляющая результат коррозии металла. Такого рода коррозия, как мы уже сказали, называется линейной (рис. 7).

Рис. 7. Линейная коррозия.

Точечная коррозия — это результат линейной коррозии. Хорошо вычищенная блестящая поверхность металла через некоторое время покрывается мельчайшими точками коррозии. Почему возникли эти точечные разрушения? При ближайшем рассмотрении оказывается, что причиной этого является пыль, которая оседала на поверхности металла. Она здесь сыграла, с одной стороны, роль парафиновой капли в нашем опыте, а с другой — мельчайшие пылинки были местами, вокруг которых оседали из воздуха газы и пары воды, вызвавшие коррозию поверхности металла.

Подповерхностная коррозия металлов.

Рис. 8. Подповерхностная коррозия.

Не менее опасна и подповерхностная коррозия. На рисунке 8 приведена фотография этого вида коррозии.

Типы коррозионных разрушений.

Рассмотрение различных видов коррозионных разрушений, которые схематически изображены на рисунке 9, то судить о вреде коррозии только по количеству разрушенного металла, по потере его веса еще далеко не достаточно. Потеря в весе может быть мала, а коррозионное разрушение чрезвычайно опасным. Так, например, межкристаллитная коррозия, коррозионное растрескивание особенно опасно для котлов высокого давления, авиационных двигателей, валов машин. Глубокая язвенная коррозия, точечная или межкристаллитная, подобна острым надрезкам на наиболее ответственных участках той или иной детали и ведет к разрушениям всей детали.

Рис. 9. Типы коррозионных разрушений:

1 – равномерная; 2 – неравномерная; 3 – структурно-избирательная; 4 – коррозия пятнами; 5 – коррозия язвами; 6 – коррозия точками; 7 – межкристаллитная; 8 – внутрикристаллитная; 9 – подповерхностная.

В некоторых случаях опасна и коррозия равномерного типа. Здесь неприятным является не само коррозионное разрушение того или иного металлического аппарата, а загрязнение продуктами коррозии изделий. Это приводит к разрушению декоративных покрытий, придающих красивый вид изделию, к потускнению металлических зеркал, например, зеркала прожекторов, автомобильных фар. Следовательно, в этом случае она более нежелательна, нежели местная или точечная коррозия.

Рассмотрев причины коррозионных разрушений, можно теперь подробно разобрать, в каких случаях и какие методы применяют для защиты металла от коррозии.

Перед тем, как начать фосфатирование нужно снять слой грубой ржавчины, чтобы как можно меньше потратить раствора и ускорить процесс.

Коррозионную устойчивость фосфатной пленки можно значительно повысить, если пропитать ее маслом и лаком. Способ фосфатирования довольно прост и поэтому широко применяется во многих отраслях промышленности.

Снижение скорости коррозии металла

Скорость коррозии металла влияет на продолжительность срока службы металлических изделий, которые находят применение практически во всех сферах жизнедеятельности человека. Их используют в воздухе, воде, почве. Показателем процесса невосприимчивости молекул и атомов металла к воздействиям внешней среды служит их устойчивость к коррозии.

1 Явление коррозии и расчет ее скорости

Ущерб, наносимый подобным процессом, огромен. Иногда стоимость принесенного им вреда во много раз превышает затраты на производство самого металла и на последующее использование деталей из него. По данным мировой статистики каждая шестая доменная печь в мире работает на то, чтобы покрыть последствия этого явления.

Коррозия — это процесс естественного разрушения металла под воздействием факторов среды, в которой он находится. Само название явления взято из латинского языка. «Коррозио» значит «разъедание».

Вред, причиняемый коррозией, не сводится только к разрушению самих изделий или деталей из металлов. Кроме того, что при ее воздействии приходят в негодность уже изготовленные предметы, пропадают усилия и труд людей, потраченные на производство. Основная причина расходов — это замена или ремонт деталей, вышедших из строя под влиянием этого процесса.

От того, где и как используются изделия, и от нахождения металла в грунте, на воздухе, при создании подводных трубопроводов или судов, различают два вида воздействия этого процесса:

1. Химическое. Коррозия, имеющая название «химическая», наблюдается в сухих газах и веществах, не проводящих электричество. Она происходит в доменных печах, при прокате или ковке стали. К веществам при этом процессе относят сероуглероды, керосин, бензин. Химическая коррозия может наблюдаться в двигателях автомобилей и их бензиновых емкостях, нефтехимическом оборудовании, нефтепроводах.

1. Электрохимическое. Электрохимическая коррозия сопровождается образованием электрических токов малого напряжения и протекает по принципу гальваники, когда металл и окружающая среда (морская, речная вода, сырая почва, влажная атмосфера, кислоты, основания) служат катодом и анодом.

В случае равномерной коррозии скорость может быть определена по формуле:

v=Δm / S•t, где

v — скорость коррозии, которую обычно выражают в таких единицах: г/(м 2 •ч) или мг/(см2•сут);

Δm — убыль (увеличение) массы;

S — площадь поверхности;

2 Способы снижения скорости коррозии

Снижение скорости и уменьшение глубины коррозии является главной целью защиты железа и его сплавов от разрушения, вызванного этим процессом. Уменьшение поражения ржавчиной металлических деталей и конструкций достигается несколькими способами:

• изменением факторов природной среды, действующей на металл;
• путем получения антикоррозийных сплавов;
• нанесением слоя покрытия, не подверженного коррозии;
• напылением на поверхность изделия металлов, имеющих более высокую стойкостью к среде, которая вызывает это явление;
• производится защита электрохимическими способами.

Изменение окружающей среды, вызывающей ржавчину, достигается внесением в нее различных ингибиторов коррозии. Этот способ находит все большее применение для снижения коррозии стали.

Сталь — наиболее распространенный вид металлических сплавов, используемых человеком, который производится путем выплавки и смешивания с различными элементами, создающими необходимые качества получаемого материала. За счет этого коррозия стали может снижаться.

Добавляют химические элементы на стадии получения, причем эти добавки не влияют на общие показатели металла. Этим способом получают легированные, нержавеющие стали.

Покрытия, предотвращающие явление ржавления или замедляющие его, называются антикоррозийными.

Слои могут наноситься лакокрасочным и гальваническим способами. Иногда их совмещают, получая покрытие, при котором коррозия стали снижается до минимума, что расширяет область применения материала.

Электрохимическим предохранением от коррозии является то, которое непосредственно влияет на смену потенциала железной детали в зависимости от области использования. Такая реакция проводится, когда заведомо известно место применения изделия. Она может быть анодной или катодной.

Самое неприятное в происходящем явлении, что ржавление (коррозия стали) является причиной разрушения или снижения прочности уже готовых изделий, которые непосредственно влияют на жизнь человека. К примеру, аварии на различных трубопроводах, осуществляющих подачу газа, нефти; поломки или крушение разводных мостов, металлических конструкций, подъемных кранов.

Коррозии стали постоянно изучаются, и все новые способы предохранения от этого процесса разрабатываются с появлением новых технологий и развитием науки.