Коррозия металла в грунте

Обновлено: 28.04.2024

Железо и его сплавы с углеродом,, т. е. сталь и чугун, при нормальной температуре и при полном отсутствии влаги не корродируют. Не корродирует железо и в воде, лишенной растворенного кислорода и имеющей нейтральную или щелочную реакцию. При наличии же в окружающей среде кислорода и влаги процесс коррозии железа протекает весьма интенсивно. В условиях почвенной коррозии сталь и чугун обладают примерно равной противокоррозионной стойкостью.

Помещенная в грунт стальная труба в первое время более или менее равномерно покрывается оксидной пленкой и ржавчиной (гидратированная окись железа), что можно рассматривать как проявление общей коррозии. Вскоре на поверхности трубы образуются анодные участки, соответствующие нарушениям сплошности оксидной пленки. Здесь происходит активный процесс перехода металла в почвенный раствор, что ведет к возникновению местных видов коррозии (пятна, точечная коррозия и др.).

В случае коррозии с кислородной деполяризацией, что имеет место в нейтральных и щелочных почвах, анодные участки образуются на тех частях поверхности трубы, к которым нет доступа кислорода или он более затруднен по сравнению с соседними участками. Одновременно на остальной части поверхности грубы, где имеет место нормальная аэрация, происходят катодные процессы.

Корродирование железа в нейтральных и щелочных почвах в большинстве случаев протекает с кислородной деполяризацией. В кислых почвах тяжелого механического состава, где затруднена аэрация, катодный процесс протекает за счет разряда водорода и выделения его в виде пузырьков газа с катодной поверхности. Чем лучше воздухообмен в почве, тем больше (при прочих равных условиях) аэрируемая катодная площадь и соответственно меньше анодная площадь. Поэтому в хорошо проветриваемых почвах легкого механического состава коррозия распределяется неравномерно; она сосредоточивается в отдельных точках и на поверхности трубы возникают язвы, пятна и другие формы местной коррозии. Наоборот, в почвах тяжелого механического состава, где аэрация затруднена, коррозионные разрушения распределяются более равномерно.

Картина коррозии железа в почве представляется в следующем виде. В результате анодного растворения ионы железа переходят в почвенный раствор и соединяются с ионами Сl', SO"₄, ОН', НСО'з, СО"₃. Образовавшиеся соли закиси железа в зависимости от условий коррозии проникают в окружающую почву и рассеиваются или тут же, взаимодействуя с растворенным кислородом и ОН-ионами, превращаются в гидрат окиси железа Fe(OH)₃. Поскольку растворимость последнего в нейтральной и щелочной среде невелика, гидрат окиси выпадает в виде геля, образуя бугорки ржавчины.

Расстояние, на которое ионы диффундируют от металла в почву, зависит от ряда условий, а именно: от скорости анодного растворения, концентрации почвенного раствора, скорости притока кислорода и т. п. Так, в почвах с невысоким содержанием водорастворимых солей Fe(OH)₃ осаждается на анодных участках в виде плотного, хорошо схватывающегося с металлом слоя. При более слабой аэрации и повышенной концентрации солей гидрат окиси может образовывать наросты в виде бугорков ржавчины.

Расположенная под бугорком коррозионная язва будет развиваться вглубь до тех пор, пока образующаяся над ней толща ржавчины не станет полной преградой для диффузии кислорода и ионов закисного железа. При недостатке кислорода, высокой концентрации солей в почвенном растворе или высокой кислотности среды соли закиси железа могут мигрировать на большие расстояния от металла. Если в этих условиях возможна водородная деполяризация, то коррозия может стать значительной, так как в этом случае она всецело определяется скоростью деполяризации катода. При кислородной деполяризации скорость коррозии ограничивается скоростью диффузии кислорода. В этом случае на поверхности железа в катодных зонах образуются защитные пленки из окиси и гидроокиси железа или из малорастворимых карбонатов кальция и магния.

Чем больше в почве содержится карбонатов кальция и магния, тем выше стойкость железа, так как в этом случае создается прочная защитная пленка из карбонатов, препятствующая коррозии. При повышенной кислотности почвы (рН < 6) и наличии хлоридов и сульфатов, хотя бы в небольших концентрациях, защитная пленка из карбонатов растворяется и не может предохранять железо от коррозии.

Избыток кислорода против того количества, которое требуется для деполяризации, в целом способствует торможению коррозии, так как вызывает образование защитных пленок. Это не противоречит тому положению, что в избыточном количестве кислород вызывает местную коррозию с образованием язв, точек и т. п.

Развитие последних в большинстве случаев хотя вначале и происходит быстро, с течением времени замедляется или приостанавливается, так как образующиеся продукты коррозии тормозят дальнейший процесс. И только при наличии высококоррозионной среды этот процесс развивается беспрепятственно и вызывает сквозные проржавления. В щелочной почве с рН от 7 до 14 железо обладает повышенной стойкостью, так как в этих условиях образуется устойчивая защитная пленка; при повышении щелочности среды до рН > 14 процесс коррозии железа активизируется. Ржавление железа в природных поверхностных и грунтовых водах выражается следующим уравнением:

Fe → Fe " + 2 электрона.

Рис. 13. Зависимость скорости коррозии железа от рН раствора.

Скорость этой реакции пропорциональна концентрации кислорода в растворе, но лишь до некоторого критического предела. Если концентрация кислорода превосходит этот предел, скорость коррозии может резко понизиться вследствие пассивирования железа. Наличие в природной воде ионов хлора сильно препятствует пассивированию.

Вследствие этого с ростом концентрации кислорода в воде в присутствии ионов хлора наблюдается повышение скорости коррозии, даже при критическом значении концентрации кислорода. Растворенный кислород, содержащийся в 1 л воды, насыщенной воздухом, при условии полного его потребления на коррозию железа обеспечивает разрушение 1 см 2 поверхности металла на глубину 0,0025 см.

Общая коррозия железа и стали в обычной морской воде, как показали испытания в различных точках земного шара, является довольно постоянной и составляет в среднем 0,012—0,013 см/год. Безусловно агрессивными по отношению к железу являются грунтовые и поверхностные воды с рН< 6,5 и рН>14, а также воды, жесткость которых менее 7°. Особенно опасными являются воды болотные, так как они, как правило, мягкие и содержат органические кислоты, дающие с железом растворимые соединения. Скорость общей коррозии стали, погруженной в мягкую воду, насыщенную воздухом, колеблется в пределах 0,005÷0,015 см/год. При местной коррозии скорость ее может быть в 10 раз больше.

При оценке агрессивности воды — среды следует исходить из того, что скорость коррозии железа возрастает с уменьшением рН и жесткости и увеличением содержания хлоридов, сульфатов и свободной углекислоты. Наоборот, с повышением рН и жесткости воды и уменьшением содержания сульфатов, хлоридов и углекислоты коррозионная стойкость железа возрастает.

Почвенная коррозия металла

Когда металл помещается в почву, он оказывается во враждебной среде, способной спровоцировать появление коррозии.

Если не защитить металл, столкнетесь с проблемой разрушения, потерей целостности стальных опор и другими сложностями.

В этой статье мы подробно расскажем, что такое почвенная коррозия металла, как появляется и какие факторы способны усугубить положение. Также мы затронем и вопросы защиты, позволяющей свести к минимуму негативное воздействие агрессивной среды.

Что такое почвенная коррозия и как появляется

Как понятно из названия, это явление представляет собой стремительное ржавение металлических изделий при постоянном контакте с грунтом. По статистике, не менее 4% металла в мире ежегодно приходит в негодность под действием такого процесса.

Особенно сложно приходится с трубопроводами, подземными герметичными резервуарами, опорами металлоконструкций – их сложно проверить на целостность.

Иногда проблему обнаруживают слишком поздно, когда возникает обрушение или выявляется протечка транспортируемого по трубам вещества.

Процесс почвенной коррозии связан с самим составом и структурой грунта. Он может быть пористым, легко проводить воздух и воду – опасные факторы распространения коррозии на открытом воздухе.

Риск увеличивает особый химический состав почвы, а также использование специальных удобрений.

Особенно высокий уровень опасности представляют глинистые почвы, в которых влага задерживается надолго. Меньше всего риска при закапывании металла в песчаный грунт.

Не стоит также сбрасывать со счетов и вероятность контакта с водой и водоносными пластами, залегающими близко к поверхности.

Факторы развития почвенной коррозии

Чтобы лучше понять специфику защиты от коррозийного процесса, нужно понять, что его вызывает и как он развивается.

Есть 7 факторов, влияющих на высокую опасность.

Влага

Сама структура почвы такова, что она зачастую наполнена влагой. Вода остается после дождя и искусственного орошения, просачивается из грунтовых пластов. В атмосфере опасным считается уровень влажности выше 50% - при нем начинает появляться ржавчина. В почве этот показатель уже 15-25% в зависимости от состава.

Ученые говорят о том, что в грунте вода может быть в трех основных состояниях. Капиллярная скапливается в порах, связанная сохраняется в виде специальных соединений. Есть и еще одно состояние – гравитационное. Оно обеспечивает подвижность и часто доставляет воду напрямую к металлоконструкции.

Пористость

На открытом воздухе постоянный доступ кислорода и его контакт с металлом становятся дополнительными факторами риска. Есть грунты с высокой, средней и малой воздухопроницаемостью.

На это влияет влажность, плотность и другие показатели. Чем больше воздуха поступает к металлу, тем более агрессивной считается среда.

Опасность воздуха заключается в его способности стимулирования процесса коррозии, а также в примесях, содержащихся в составе.

Сложность добавляет и то, что те же трубопроводы на своем пути проходят через разные почвенные зоны и для каждой их них нужно предусмотреть меры защиты.

Кислотность

Сам по себе грунт – это агрессивная среда. Уровень кислотности варьируется в диапазоне 6,0-7,5 и обозначается как рН. Есть виды почв, в которых кислотность сильно негативно отражается на состоянии металла.

К ним относятся чернозем, суглинки, подзол, болотистые грунты, торф, щелочные солончаки. В них сталь и другие материалы начинают портиться в 2-5 раз быстрее, в зависимости от состава.

Электропроводность

Этот показатель связан с составом почвы. Указывается в Ом на метр. Соленые грунты отличаются лучшими параметрами электропроводности.

Это напрямую влияет на анодные и катодные процессы, так что материал портится быстрее. Это актуально для таких видов сырья, как чугун и сталь.

Минералогический состав

Этот параметр влияет на степень сопротивления грунта, а также на его электропроводность. Стандартные показатели минерализации на уровне 10 – 300 мг/л.

Но использование некоторых видов удобрений приводит к росту таких параметров, а также стимулирует появление гальванопар. Они сильно ускоряют почвенную коррозию.

Температура

Во многом здесь такое же соотношение, как и в случае с ржавением под влиянием атмосферы. На максимальные температуры почвы влияет ее состав и другие характеристики. При высоких температурах коррозия протекает быстрее, а воздействие влаги становится намного более агрессивным.

Зимой процесс замедляется, потому что жидкость из пустот в капиллярном состоянии уже оказывает влияния на состояние металла.

Говоря о температуре, стоит также упомянуть риск появления термовальганических пар. Проблема характерна для трубопроводов с большой протяженностью прокладки – у них на разных участках уровень температуры отличается.

Почвенные микроорганизмы

Не стоит забывать о том, что почва является домом для большого количества различных микроорганизмов. Она заселена как аэробными, так и анаэробными формами жизни.

Жизнедеятельность таких организмов и приводит к тому, что в почве накапливается много веществ, негативно влияющих на состояние металла.

Протекание и особенности почвенной коррозии

Как и другие коррозийные процессы, такой вид порчи материала относится к электрохимическому типу процессов.

В зависимости от типа грунта, протекают как катодные, так и анодные процессы. Они отличаются по принципу развития. Там, где затруднен доступ для воздуха, протекает катодный контроль, в то время как анодный характерен для грунтов с высокой степенью влажности.

От первоисточника и характера зависит, к какой категории относится коррозийный процесс. Он может быть вызван самой почвой или наличием в ней блуждающих токов. Вторая ситуация значительно более опасна и оказывает серьезное разрушительное воздействие.

При развитии такого процесса металл начинает постепенно разрушаться, теряет свою прочность. Для почвы характерно появление на изделии язвенных поражений – очагов, в которых процесс проявляется особенно сильно.

Также специалисты наблюдают возникновение макро и микропар.

Как не допустить появления почвенной коррозии

Здесь мы подходим к важному вопросу – к защите от почвенной коррозии. Современные методы позволяют значительно увеличить качество такого процесса и создать хороший уровень безопасности от коррозийных поражений.

Рассмотрим наиболее распространенные варианты защиты. Отметим также, что некоторые из них можно использовать не только для профилактики, но и чтобы затормозить развивающийся процесс или сделать его значительно медленнее.

Использование специальных покрытий или дополнительных изоляционных материалов

Это один из самых распространенных методов, используемых для блокировки почвенной коррозии газопроводов и других протяженных подземных коммуникаций.

При использовании покрытия удается ограничить доступ всем потенциальным разрушительным факторам к металлу. Среди требований к разным типам покрытия – монолитность по всей длине.

Если слой потрескался и поцарапался, в этом месте может появиться и распространиться даже ржавчина. Также в обязательном порядке нужна защита от агрессивных химических сред и перепадов температур.

Вне зависимости от окружающей обстановки состав не должен менять своих характеристик.

Сами материалы могут быть двух типов:

Мастичные. Это составы на основе каменного угля или битума. Легко намазываются на поверхность трубы, ложатся ровным слоем и максимально долговечны.
Полимерные. Основаны на полимерных соединениях. Они могут быть как в виде эмали, так и специальных лент.

Высокие требования предъявляются и к качеству нанесения материалов на трубы. Не должно быть непроработанных участков. Также соблюдается и максимальная толщина.

Для битумных вариантов она должна составлять не менее 3 мм. На особенно опасных участках – до 9 мм.

Хорошо себя показывает и полимерная изоляция, созданная в виде специальной внешней скорлупы.

Ее легко установить на трубу для защиты газопровода от почвенной коррозии, а на теплотрассу – от потери тепла.

Нагнетание искусственной атмосферы

Метод практикуется на длинных, ответственных трубопроводах, которые особенно важно сохранить в целости. Так как на пути прокладки могут встречаться разные виды грунтов, металл засыпается землей с нужными показателями.

Это достаточно дорогостоящий процесс, но в сочетании с другими методами защиты он показывает себя с лучшей стороны.

Электрохимическая защита

При таком методе удается создать специальную поляризацию – либо катодную, либо анодную, в зависимости от текущих условий эксплуатации инженерных коммуникаций.

Для того, чтобы заработала катодная защита, металлу нужно передать отрицательный потенциал. В таком случае окисление будет сильно затруднено, во многих видах почв позволит полностью избавиться от коррозии или сильно замедлить ее.

Устанавливается как протекторная защита, так и катодная.

Правильная укладка

Большое значение имеет и обустройство самой трассы прокладки. Так для теплотрасс можно устанавливать не только внешнюю изоляцию, но и специальную скорлупу из бетона и плит с высоким уровнем герметизации.

Таким образом, к металлу не просочится грунтовая вода.

Оцинковка как эффективный метод защиты

Стоит также помнить и о предварительной защите – использовании метода цинкования металлических деталей для высокого уровня защиты от развития коррозии. Наша компания предоставляет именно такие услуги.

При оцинковке, на поверхности появляется тонкий защитный слой. Он отличается высоким уровнем стойкости и ограждает материал от влияния неблагоприятных внешних факторов. При этом, в почве оцинкованное покрытие не так подвержено механическим повреждениям, служит намного дольше.

Оно также может использоваться в сочетании с другими методами, описанными в этой статье.

Наша компания занимается оцинковкой продукции для надземного и подземного использования с 2007 года. Гарантируем всем заказчикам высокий уровень качества проведения работ, отвечаем на все интересующие вопросы.

Среди наших преимуществ:

Возможность работы даже с крупными партиями товаров.
Три цеха горячего цинкования для увеличения скорости и соблюдения сроков.
Одна из самых глубоких ванн для оцинковки в ЦФО, дающая возможность работы с любыми видами деталей.

Мы предлагаем клиентам удобные условия работы и готовы рассмотреть даже срочные заказы. Чтобы узнать подробности, звоните нам или оставляйте заявку на сайте.

Типы коррозии металла

В технической терминологии под понятием «коррозия» понимают разрушение разных видов металлов вследствие их взаимодействия с атмосферными факторами. Скорость развития и масштабность распространения коррозии обусловлена разными причинами.

Именно поэтому сегодня не существует универсальных способов защиты металлоконструкций от негативного воздействия коррозийных процессов. Однако в зависимости от разновидности коррозийного процесса используются разные технологические решения.

На основании показателя активности и скорости протекания выделяют отдельные типы коррозии металлов – химическая и электрохимическая. В первом случае реакция наблюдается вследствие взаимодействия металла со средой с минимальной электропроводимостью. Благодаря этому во время реакции отсутствует эффект электростатики.

Во втором случае реакция протекает при воздействии на металл среды с высокой электрической проводимостью (электролит). Как правило, электрохимическая реакция возникает в воде, атмосфере и почве, а также в кислотных, солевых и щелочных растворах.

Классификация коррозии в зависимости от типа окружающей среды

Атмосферная коррозия

Это один из самых распространенных видов коррозии, который в зависимости от объема влаги, воздействующей на металлическую поверхность, также классифицируется как мокрая, сухая и влажная коррозия. При этом в зависимости от агрессивности атмосферы выделяют следующие виды атмосферной коррозии, которая может проявляться:

в промышленности;
сельской местности;
приморских районах;
при специфическом загрязнении окружающей среды.

Главные особенности атмосферной коррозии проявляются в скорости ее распространения. На этот фактор оказывают влияние такие параметры, как температура, уровень влажности, состав металла, качество его поверхности, особенности состава окружающей среды, а также другие параметры.

Почвенная коррозия

Коррозийные процессы, проходящие с металлами в грунте или под землей, оказывают на их эксплуатационные характеристики разрушительное воздействие. Существует не только почвенная коррозия металлов, но также процесс, который возникает после воздействия внешних и блуждающих электротоков.

Под напряжением коррозийные процессы протекают вследствие одновременного воздействия на поверхность металлоконструкций коррозийной среды и механических напряжений. Как следствие, на поверхности металлоконструкции может наблюдаться коррозийное растрескивание или коррозийная усталость. Это зависит от вида и интенсивности напряжения.

Щелевая коррозия металла

Щелевая коррозия развивается вследствие контакта изделий в электропроводящих средах, имеющих разные электрохимические характеристики. Помимо этого различают коррозийные процессы в зависимости от разновидности и сложности вызываемых повреждений – это сплошная (или общая) и местная (или локальная) коррозия.

Между тем, сплошная коррозия может быть равномерной (процесс проходит с одинаковой скоростью по всей площади металлоконструкции) и неравномерной (на разных участках детали процесс протекает с разной скоростью).

Локальный коррозийный процесс классифицируют на сосредоточенный (проявляется в виде пятен, язв, точек и др.) и подповерхностный (транс- и межкристаллитный, структурно-избирательный).

Более опасной и разрушительной считается локальная коррозия, поскольку она образует дефекты (свищи и трещины в стенах емкостей и трубопроводов), которые стремительно снижают прочностные и функциональные характеристики конструкции.

Если же говорить об изделиях, поверхность которых обработана по технологии горячего цинкования, то в данном случае большую угрозу несет общая коррозия. Она вызывает разрушение защитного слоя, что приводит к утрате изделием первоначального привлекательного внешнего вида.

Также для продукции, имеющей цинковый слой, нанесенный горячим цинкованием, опасность несет коррозия под напряжением (разрушение происходит на наиболее напряженных участках детали) и точечная (питтинговая) коррозия (по аналогичным причинам).

Заказывайте оцинковку металла в Точинвест Цинк

Каждый клиент при обращении в нашу компанию получает следующие преимущества:

Компания работает с 2007 года, имеет в своем распоряжении 3 производственных цеха для горячего цинкования.
Мощность предприятия с многолетним опытом составляет 120 000 тонн в год.
Оперативное проведение работ, независимо от сложности и объема.
Наше предприятие является обладателем самой глубокой ванны для горячего цинкования в ЦФО – глубина составляет 3.43 м.
Наносим цинковое покрытие на различные виды металлоконструкций, включая габаритные.
Нанесение покрытия по технологии горячего цинкования специалисты выполняют в соответствие с требованиями ГОСТ 307-89.

Работы проводятся на современном оборудовании чешской компании EKOMOR и немецко-австрийской компании KVK KOERNER.

Газовая коррозия в технологических средах

В металлургии, химической промышленности множество процессов или их определенных стадий протекает в условиях повышенных температур и давлений. При низких температурах (100 – 200 °С) большинство газов и их смесей не представляет опасности. При повышенных температурах (выше 200 – 300 °С) и давлениях химическая активность газов сильно возрастает, и они начинают оказывать вредное влияние на металлы и сплавы.

При температуре выше 200 °С вредное воздействие оказывает хлор, а выше 300 °С – хлористый водород (HCl). С повышением температуры до 500 °С пары серы, диоксид серы (оксид серы (IV), сернистый ангидрид, сернистый газ, SO₂) и диоксид азота (оксид азота (IV), бурый газ, NO₂) также становятся химически активными.

Поведение газов и их смесей необходимо хорошо изучить, т.к. в условиях металлургического либо химического производства вышеописанные ситуации встречаются достаточно часто.

В технологических средах часто встречаются следующие случаи газовой коррозии: водородная коррозия, обезуглероживание стали, сернистая коррозия, карбонильная коррозия, разрушение в среде хлора и хлористого водорода.

Водородная коррозия

Водородная коррозия – вид коррозионного разрушения, который наблюдается, в основном, в технологических средах, содержащих водород, при воздействии повышенных температур и давлений. Очень часто водородная коррозия наблюдается при гидрировании нефти и угля, синтезе метанола и аммиака и т.п.

При воздействии водорода металл может подвергаться двум видам разрушения: водородная коррозия и водородная хрупкость. Зачастую эти два вида протекают одновременно.

Водородная коррозия происходит вследствии химического взаимодействия водорода среды и карбидной составляющей стали. При повышенных температурах и давлениях водород, попадая на поверхность стального изделия, диссоциирует. Образовавшиеся атомы H2 очень подвижны, их диаметр составляет 0,1 нм. Атомы водорода диффундируют вглубь металла, растворяясь в нем. Некоторая часть вступает в реакцию с углеродом:

При остывании металла, водород переходит в газообразное состояние, создавая достаточно высокое внутреннее давление. Это охрупчивает металл. На поверхности появляются трещины, вздутия. Прочность стали сильно уменьшается.

Обычно водородная коррозия появляется из-за нескольких причин:

- повышение внутреннего давления при образовании в порах CH₄ и в результате – растрескивание по границам зерен;

- обезуглероживание стали, которое происходит из-за восстановления водородом цементита (Fe₃C входит в состав сталей):

- водород проникает вглубь стали, образуя хрупкий твердый раствор водорода в Fe.

У водородной коррозии есть, так называемый, инкубационный период, при котором какие-либо внешние признаки разрушения отсутствуют. В среднем этот период может составлять около 1000 часов (зависит от условий).

Расчеты по термодинамике показывают, что при повышенном давлении и температуре около 350 – 600 °С цементит почти полностью разрушается.

Реакция, при которой образуется СН₄ (метан) может протекать в сторону уменьшения объема, т.е. она обратимая. При повышении температуры равновесие реакции сдвигается вправо. Поэтому на нефтехимических производствах температуру поддерживают до 200 °С, при давлении около 50 МПа.

Скорость протекания водородной коррозии зависит не только от рабочих давлений и температур, но и от глубины обезуглероживания стали.

Обезуглероживание стали (декарбюризация)

Обезуглероживание стали (декарбюризация) - процесс обеднения поверхностного слоя металла углеродом. Наблюдается при температурах свыше 650 °С.

Чаще всего процесс обезуглероживания стали протекает в окислительных атмосферах (O₂, H₂O, CO), но может происходить и в атмосфере водорода. Кислород окисляет сначала углерод, а потом только железо. Обезуглероживание стали проходит интенсивнее с увеличением в газовой среде количества углекислого газа, влаги и кислорода. Если газовая среда содержит больше угарного газа и метана – скорость декарбюризации уменьшается.

Процесс восстановления цементита Fe₃C является основой процесса обезуглероживания стали:

При температуре выше 650 °С атомы углерода более подвижны, чем атомы основного металла (железа), коэффициент диффузии атомов углерода также превышает коэффициент диффузии атомов Fe. Обезуглероживание стали протекает тогда, когда углерод диффундирует быстрее, чем окисляется железо.

Обезуглероживание сопутствует очень многим технологическим процессам, таким, как разнообразные реакции горения, окислительного крекинга и др. Сталь, подвергшаяся декарбюризации, теряет свою прочность и твердость, тем самым ухудшается ее качество, сокращается срок службы готовых изделий.

Декарбюризация (обезуглероживание стали) наблюдается после образования пленки оксидов на поверхности металла. С утолщением пленки окалина образуется медленнее, при этом обезуглероженный слой утолщается (может уходить на несколько миллиметров вглубь основного металла).

Для уменьшения степени обезуглероживания в сталь вводятся добавки вольфрама и алюминия. Незначительное влияние оказывают хром, марганец и кобальт.

Сернистая коррозия (коррозия в среде серы)

Различные соединения серы оказывают большое влияние на высокотемпературную газовою коррозию. Самым вредным и опасным среди таких соединений является сероводород (даже более чем сернистый ангидрид).

Сернистый ангидрид (SO₂) выделяется в результате многих технологических процессов. Под воздействием этого соединения при температуре свыше 300 °С образуется на поверхности черных металлов слоистая окалина, которая состоит из FeS, FeO и Fe₃O₄.

Очень негативное влияние оказывает сернистый газ на чугун. При температурах выше 400 °С детали из чугуна окисляются изнутри, идет увеличение объема до 10%. Сильно уменьшается прочность чугунных изделий, наблюдается коробление, появляются поверхностные трещины и деталь разрушается. Это явление получило название «рост чугуна». Максимальное повреждение наблюдается при температуре около 700 °С.

Карбонильная коррозия

Карбонильная коррозия часто наблюдается в технологических средах, а именно, в случаях, когда при повышенном давлении и температуре протекают процессы с участием углерода (II). Карбонильная коррозия наблюдается при конверсии окиси углерода и метана, получении бутилового и метилового спиртов и т.д.

Оксид углерода при нормальном давлении и температуре по отношению к металлам инертен. Но при повышенных значениях температуры и давления CO реагирует с большинством металлов. В результате такого взаимодействия образуются карбонилы. Например, процесс образования карбонила железа описывается реакцией:

С оксидом углерода железо может образовать три вида карбонилов: Fe(CO)₅ (пентакарбонил), Fe(CO)₄ (тетракарбонил) и Fe(CO)₉ (нонакарбонил). При повышении температуры все эти соединения разлагаются, т.к. не обладают достаточной устойчивостью. Наибольшей стойкостью, среди вышеперечисленных карбонилов железа, обладает пентакарбонил, который почти полностью диссоциирует на CO и Fe уже при температуре выше 140°С. Оксид углерода может образовывать подобные соединения со многими металлами.

Карбонильная коррозия протекает только в верхних слоях. Разрыхление и разрушение поверхностного слоя металла в глубину может достигать до 5 мм. Глубже структура не меняется.

При высоких температурах (до 700°С) и давлениях (до 35 МПа) для защиты от карбонильной коррозии металлов можно применять хромоникелевые стали, в состав которых входит около 20% Ni и 23% Cr, хромистые с содержание хрома 30%, а также марганцевые бронзы. Менее легированные стали (например, Х18Н9) можно использовать в случаях, когда давление и температура несколько ниже 700°С.

Карбонильная коррозия наблюдается также при синтезе мочевины. В качестве исходного сырья для получения CO(NH₂)₂ используется углекислый газ и NH₃. Сам процесс протекает при давлении в 20 МПа и температуре 175 - 190°С. Для изготовления аппаратов, в которых протекают основные процессы синтеза, нержавеющие хромистые стали абсолютно не подходят. Самой высокой стойкостью к карбонильной коррозии в данных условиях обладает хромоникелевая сталь, в состав которой входит медь и молибден, а также некоторые молибденовые стали. Для повышения коррозионной устойчивости основных агрегатов, в которых проходит синтез мочевины, необходима очистка газов от сероводорода, а также обязательное введение в систему O₂ в количестве 0,5-1 об.% от содержания углекислого газа.

Коррозия в среде хлористого водорода и хлора

В среде газообразного хлора и хлористого водорода металлы ведут себя не так, как в других агрессивных средах. Дело в том, что при воздействии хлористого водорода и газообразного хлора на поверхности металла образуются хлористые соли. Эти соединения обладают низкой температурой плавления, а в некоторых случаях, при сильном повышении температуры, они возгоняются (Т возгонки AlCl₃ - 192°С). Почти все аналогичные процессы проходят с выделением тепла (положительный тепловой эффект). В результате нагрева хлориды, которые образовались на поверхности металла, плавятся и разлагаются (нарушается их структура).

Хлоридные пленки не обладают высокими защитными свойствами.

В атмосфере сухого хлора при низких температурах очень многие металлы обладают хорошей устойчивостью. Но при нагревании металл начинает реагировать с хлором и происходит воспламенение (протекает экзотермическая реакция). Температура, при которой происходит воспламенение, во многом определяется природой металла и зависит от величины теплового эффекта.

Температуры воспламенения некоторых металлов в среде сухого хлора:

- свинец – 90 – 100°С;

- железо и сталь – около 150°С;

- титан – около 20°С;

- никель – около 500°С;

Многие сплавы и металлы при комнатной температуре обладают удовлетворительной стойкостью и в среде хлористого водорода. Но с повышением температуры постепенно идет снижение стойкости. У каждого металла существует своя максимальная температура, при которой он еще относительно стойкий.

Если не считать благородных металлов, то в среде сухого хлора наибольшей стойкостью обладает никель и сплавы на его основе. Платина в среде хлористого водорода и хлора устойчива до температуры 1200°С.

На хромоникелевых сплавах (сталях) и самом никеле образуются поверхностные пленки, которые обладают нормальными защитными свойствами и малой летучестью.

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:

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:

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.

Читайте также: