Подземная корроз
Подземная коррозия металлических конструкций протекает в почвенных или грунтовых условиях и имеет обычно электрохимический механизм. Подземной коррозии подвержены, главным образом, металлические трубопроводы, подземные резервуары, силовые электрические кабели и др. Особенно сильное разрушение наблюдается в условиях совместного воздействия грунта и блуждающих токов. Различают следующие виды почвенной коррозии:
— Подземная коррозия – коррозия в почве, вызываемая коррозионными
элементами, возникающими на металле в местах соприкосновения его с коррозионной средой вследствие неоднородности металла сооружения, неодинакового состава почвы, различия температур, влажности и воздухопроводности почвы на различных участках сооружения.
− Подземная биокоррозия – это коррозия, вызываемая жизнедеятельностью микроорганизмов, воздействующих на металл, обычно процесс завершается электрохимической коррозией.
− Электрокоррозия – коррозия металлических подземных сооружений под действием токов утечки с рельсов электрифицированных железных дорог и других промышленных установок. Она подразделяется на коррозию блуждающими токами и коррозию внешним током.
В почве содержатся влага и различные химические реагенты, поэтому она обладает ионной проводимостью и в большинстве случаев, за исключением очень сухих грунтов, механизм подземной коррозии – электрохимический. Наиболее характерным катодным процессом в подземных условиях является кислородная деполяризация. В кислых грунтах (болотистый) может проходить коррозия и с водородной деполяризацией. Рассмотрим пример работы коррозионного элемента в почве.
На аноде протекает реакция окисления железа с образованием гидратированных ионов:
Fe + mH3O →→ Fe2+mH3O + 2e. На катоде протекает реакция ионизации кислорода: O2 + 2H3O + 4e →→ 4OH−.
В электролите почвы ионы Fe2+ и OH− взаимодействуют друг с другом,
образуя нерастворимый осадок гидроксида железа, который затем может перейти в оксид железа:
Fe2+2OH− → Fe(OH)2, 2Fe(OH)2 → Fe2O3 + H3O.
Анодные и катодные процессы, в большинстве случаев, протекают на различных участках, т.е. поверхность корродирующего металла состоит из некоторого числа коррозионных микроэлементов и общая скорость коррозии зависит от числа таких элементов и интенсивности их работы. Такой механизм коррозии называют гетерогенно-электрохимическим.
Общая скорость коррозии определяется скоростью процесса, протекающего медленнее других. Процесс, кинетика которого определяет общую скорость коррозии, называется контролирующим.
В зависимости от условий возможны следующие виды контроля подземной коррозии металлов: преимущественно катодный контроль – во влажных грунтах; преимущественно анодный контроль – в рыхлых и сухих грунтах; смешанный катодноомический контроль – при грунтовой коррозии металлических конструкций, вследствие работы протяженных макропар (трубопроводы).
В большинстве случаев коррозия подземных сооружений протекает с преимущественным катодным контролем, обусловленным торможением доставки кислорода к поверхности металла.
Критериями опасности коррозии подземных металлических сооружений, согласно ГОСТ 9.602 – 89, являются:
— коррозионная агрессивность среды по отношению к металлу конструкции;
— опасные действия постоянного и переменного блуждающих токов.
Скорость коррозии металла в почве зависит от коррозионной активности почвы, то есть от некоторых ее свойств: структуры, пористости, влажности, минерализации грунтовых вод, кислотности, воздухопроводности, удельного электрического сопротивления и температуры среды.
— Влажность почвы. Наличие влаги делает грунт электролитом и вызывает электрохимическую коррозию металлов. Увеличение влажности грунта ускоряет протекание анодного процесса,
снижает сопротивление электролита и затрудняет протекание катодного процесса при значительном содержании воды в почве. Максимальная скорость подземной коррозии наблюдается в почвах, содержащих 15—25% влаги.
— Кислотность грунта. Она колеблется в широких пределах (рН 3—9). Очень кислые грунты ускоряют коррозию металлов в результате повышения растворимости вторичных продуктов коррозии и возможной дополнительной
водородной деполяризации. По величине рН различают кислые (рН 3—5), нейтральные (рН 6—8) и щелочные (рН 9—10) почвы. — Наличие микроорганизмов. Микроорганизмы, находящиеся в грунтах, могут вызывать значительное местное ускорение коррозии металлов. Наибольшую опасность представляют анаэробные сульфат-редуцирующие бактерии, которые развиваются в илистых, глинистых и болотистых грунтах. Эти бактерии в процессе жизнедеятельности восстанавливают содержащиеся в грунте сульфаты, потребляя образующийся при катодном процессе водород, до сульфид-ионов с выделением кислорода:
MgSО4 + 4H = Mg(OH)2 + H3S + О2.
Выделяющийся кислород принимает участие в катодной деполяризации коррозионного процесса. Сульфид-ион является депассиватором, а также связывает ионы железа, образуя малозащитные пленки сульфида, и тем самым облегчает анодный процесс. — Температура грунта. Температура грунта влияет на кинетику элек-
тродных процессов и диффузию, определяющие скорость коррозии. Обычно с увеличением температуры наблюдается экспоненциальное возрастание скорости подземной коррозии металла. Различие температур на отдельных
участках протяженных подземных сооружений может привести к возникновению термогальванических коррозионных элементов, усиливающих коррозию. Удельное электрическое сопротивление почвы является функцией всех рассмотренных свойств почвы и представляет один из наиболее характерных показателей коррозионной активности почв по отношению к стали. В определенных границах существует прямая зависимость: чем меньше удельное электрическое сопротивление, тем больше скорость коррозии. Эта зависимость позволяет приближенно оценить коррозионную активность почв.
Согласно ГОСТ 9.602 – 89, коррозионную активность почв по отношению к стали оценивают:
— по удельному электросопротивлению почвы;
— по средней катодной плотности тока при смещении потенциала катода
на 100 мВ отрицательнее потенциала коррозии стали.
Для борьбы с подземной коррозией сооружений широко используют следующие способы:
— Защитные изолирующие покрытия. Это основной метод защиты. Например, на трубопроводы наносят битумное покрытие. Применяют также покрытия на основе липких поливинилхлоридных и полиэтиленовых лент.
— Катодная защита от внешнего источника постоянного тока или протекторная защита.
— Искусственные среды. Для защиты от коррозии трубопроводов обрабатывают грунт, окружающий металл, различными веществами для снижения или нейтрализации его агрессивных свойств (например обработка кислого грунта известью). Иногда для создания однородного грунта по всей длине трубопровод засыпают песчаным грунтом. Однако этот метод очень трудоемкий и дорогой.
Коррозия металлов блуждающим током Коррозия металлов блуждающими токами является частным, но имеющим большое практическое значение, случаем влияния электрического поля в электролите на процесс электрохимической коррозии металлов.
Электрический ток в почве, ответвляющийся от своего основного пути, называют блуждающим. Источником блуждающего тока могут быть электрические железные дороги, электролизеры, сварочные аппараты, катодные
установки, линии электропередач и др. Рассмотрим влияние блуждающихтоков от электрифицированного рельсового транспорта на коррозию подземных сооружений.