Влияние воды на металлы

Обновлено: 18.05.2024

ВОДОПОДГОТОВКА ДЛЯ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
(данная статья опубликована в журнале «Сантехника», по материалам ASHRAE* Handbook – HVAC Applications (Руководство ASHRAE – Применение оборудования ОВК). ASHRAE Handbook – HVAC Applications является справочным пособием для проектировщиков и инженеров.)

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОДЫ

Химические характеристики

Падающий дождь поглощает имеющиеся в атмосфере углекислый газ и кислород. Углекислый газ смешивается с водой и образует угольную кислоту (H₂CO₃). Когда угольная кислота попадает на почву, содержащую известняк (СаСО₃), она разлагает кальций с образованием карбоната кальция. Карбонат кальция, присутствующий в воде, используемой в системах отопления или кондиционирования воздуха, в конечном итоге превращается в твердый осадок или накипь, которая может привести к увеличению затрат на использование энергии, времени на техническое обслуживание, частоты отключения оборудования. В конце концов из-за этой накипи придется преждевременно заменять оборудование.
В следующих пунктах рассматриваются наиболее типичные химические и физические свойства воды, используемой в приложениях ОВКВ.

Щелочность является мерой способности нейтрализации сильных кислот. В природной воде щелочность почти всегда обеспечивается за счет присутствия бикарбоната, хотя может присутствовать и некоторое количество карбоната. Бораты, гидроксиды, фосфаты и другие компоненты, если они присутствуют в воде, также вносят вклад в меру щелочности обрабатываемой воды. Щелочность также способствует образованию твердого осадка. Щелочность измеряется двумя различными индикаторами: щелочность по фенолфталеину (р-щелочность) определяет содержание в воде сильных щелочей; щелочность по метилоранжу (м-щелочность) определяет общую щелочность в воде. Заметим, что общая щелочность включает в себя и щелочность по фенолфталеину. В большинстве случаев для природной воды, в которой концентрация фосфатов, боратов и других некарбонатных щелочных материалов невелика, наличие действительно присутствующих в воде химических веществ может быть оценено по двум измерениям щелочности (табл. 1). Щелочность или кислотность часто путают с рН. Такой путаницы можно избежать, если иметь в виду, что рН является мерой концентрации ионов водорода, выраженной в виде логарифма его обратной величины.

Хлориды не влияют на образование твердого осадка, но способствуют коррозии из-за своей электропроводимости, а также вследствие того, что из-за своего небольшого размера ионы хлорида не препятствуют непрерывному потоку коррозии, если поверхностная пленка пористая. Количество хлоридов в воде является полезным измерительным инструментом для испарительных систем. Содержание практически всех других составляющих примеси в воде увеличивается или уменьшается при внесении обычных химикатов для обработки воды или в результате химических изменений, происходящих в нормальном режиме работы. В противоположность этому на концентрацию хлоридов действует, за небольшими исключениями, только испарение, и поэтому отношение содержания хлоридов в пробе воды из работающей системы к содержанию хлоридов в подпиточной воде может служить мерой того, насколько была выпарена вода. (Примечание: Уровень содержания хлоридов изменяется, если система постоянно хлорируется.)

Растворенные в воде твердые вещества состоят из солей и других материалов, соединяющихся с водой в виде растворов. Они могут влиять на образование коррозии и твердого осадка. Вообще вода с малым содержанием растворенных твердых веществ является коррозийной, т. к. в ней хуже откладывается защитный твердый осадок. Но если вода с высоким содержанием растворенных твердых веществ не содержит твердого осадка, она более интенсивно образует коррозию из-за своей высокой электропроводимости. Растворенные в воде твердые вещества часто определяются как общее количество растворенных в воде твердых веществ (Total Dissolved Solids – TDS).

Электропроводимость, или удельная электропроводимость, является мерой способности воды проводить электричество. Электропроводимость возрастает с увеличением TDS. Удельная электропроводимость может использоваться для оценки общего количества растворенных в воде твердых веществ.

Кремнезем, если позволить ему достичь определенной концентрации, может образовывать особенно тяжело удаляемые отложения. К счастью, отложения кремнезема менее вероятны, чем отложения другого рода.

Растворимое железо может образовываться в воде в результате коррозии металла в системах водоснабжения или в качестве загрязнения в подаче подпиточной воды. Железо может образовывать теплоизолирующие отложения при осадке в виде гидроксида или фосфата железа (если при обработке воды используется вещество на основе фосфата или если фосфат присутствует в подпиточной воде).

Сульфаты также способствуют образованию твердого осадка в воде с высоким содержанием кальция. Однако осадок сульфата кальция образуется только при гораздо большей концентрации, чем более обычный осадок, состоящий из карбоната кальция. Высокое содержание сульфатов также способствует усиленной коррозии из-за своей высокой электропроводимости.

Взвешенные твердые частицы включают в себя как органические, так и неорганические вещества, взвешенные в воде (особенно в неочищенной воде из поверхностных источников или в воде, циркулирующей в открытом оборудовании). Органические вещества в поверхностных источниках могут быть в коллоидном виде. Природные составы, такие как лигнины и танины, часто имеют коллоидную форму. При больших скоростях течения воды тяжелые взвешенные частицы могут истирать оборудование. Осевшие частицы любого типа могут способствовать концентрационной коррозии.

Мутность может интерпретироваться как недостаток чистоты или яркости в воде. Ее нельзя путать с цветом. Вода может быть темного цвета, но в то же время чистой и не мутной. Мутность вызывается взвесями, находящимися в окончательно измельченном состоянии. Мутность могут вызывать глина, ил, органические вещества, микроскопические организмы и подобного рода материалы. Хотя взвешенные частицы и мутность очень тесно связаны друг с другом, они не являются синонимами. Взвешенные частицы являются материалом в воде, который может быть отфильтрован. Вода, применяемая в системах ОВКВ, должна иметь как можно меньшую мутность. Это особенно касается питательной воды для котлов. Мутность может сгущаться в котлах и может осаждаться в виде слякоти или грязи, а также может вести к накоплению отложений. Она может вызывать закупорку, перегрев, вспенивание в котле, а также из-за нее может потребоваться более интенсивная продувка котла.

Биологические характеристики

В воде могут присутствовать бактерии, водоросли и грибки. Их размножение может представлять проблемы при эксплуатации, техническом обслуживании, а также определенную угрозу здоровью людей. На рост микроорганизмов оказывает влияние температура, источники питания и наличие воды. Биологический рост может происходить в большинстве систем водоснабжения при температуре ниже 65 °С. Проблемы, связанные с биологическими материалами, варьируются от появления зеленых водорослей в башенных градирнях до образования липкого бактериального ила в укромных и темных местах. Результатом этого может быть закупорка оборудования в местах со значительным потоком. Отмершие водоросли часто характеризуются отвратительным запахом и похожими на грязь отложениями, которые часто образуются на кремнеземе из стенок клеток диатомовых водорослей. Эти проблемы могут быть устранены или по крайней мере понижены до приемлемого уровня при помощи механической или химической обработки.

Контроль коррозии

Коррозией называется разрушение металла или сплава при химических или электрохимических реакциях с окружающей средой. В большинстве случаев такие реакции имеют электрохимическую природу, наподобие реакциям, происходящим в электрической батарее. Для возникновения коррозии необходимо наличие коррозийного элемента, состоящего из анода, катода, электролита и электрического соединения. Ионы металла распадаются в электролите (воде) на аноде. При этом высвобождаются электрически заряженные частицы (электроны). Эти электроны текут через металл к катоду, где происходит реакция поглощения электронов. Результатом этого является разрушение металла и часто – образование отложений.

Типы коррозии

Коррозия часто обозначается как общая, локальная или точечная, электрохимическая, щелочное коррозионное растрескивание, коррозионная усталость, эрозионная коррозия и микробиологическая коррозия.

Общая коррозия равномерно распределяется по поверхности металла. Значительное количество оксида железа, образующегося при общей коррозии, приводит к загрязнению.

Локальная или точечная коррозия имеется, когда корродируют только небольшие области металла. Точечная коррозия является наиболее серьезной формой коррозии, т. к. реакция концентрируется на небольших участках. Точечная коррозия может за короткое время проделать множество дыр в металле.

Электрохимическая коррозия может происходить при контакте двух разных металлов (так называемое, образование комплементарных пар). Более активный (менее благородный) металл быстро ржавеет. Наиболее типичным примером электрохимической коррозии в системах водоснабжения является коррозия на парах – сталь и латунь, алюминий и сталь, цинк и сталь, цинк и латунь. При электрохимической коррозии ржавеет металл, указанный здесь первым.

Коррозионная усталость может происходить в результате действия одного из двух механизмов. В первом случае в местах, где коррозия делает шероховатой или точечно поражает поверхность металла, возникают циклические напряжения (например, при быстром нагреве или охлаждении). Во втором случае в местах, где поверхность металла покрывается толстой защитной оксидной пленкой, в результате циклических напряжений образуются трещины.

Щелочное коррозионное растрескивание возникает, если в металле имеются напряжения, вода содержит большое количество щелочи, имеются следы кремнезема и действует механизм концентрации. Трещины, образованные от коррозии под напряжением, могут образовываться в сплавах, находящихся в характерной коррозийной среде под растягивающим напряжением. Это напряжение может прилагаться, может быть остаточным (в результате обработки) или можем быть комбинированным. Образующиеся в результате трещины обычно являются межкристаллитными.

Эрозионная коррозия возникает как результат воздействия потока воды или удара, которые физически удаляют защитный слой оксида на металле. Коррозия такого типа обычно возникает из-за изменения характера потока или при значении расхода, превосходящем расчетное значение.

Микробиологическая коррозия происходит из-за кислоты, выделяемой на поверхности металла бактериями. Часто бактерии смешиваются с грязью и илом, защищающими бактерии от биоцидов.

Факторы, способствующие коррозии

Влага. Коррозия не возникает в сухих условиях. Однако в большинстве случаев в окружающей среде присутствует некоторое количество влаги. В чистом кислороде при относительной влажности вплоть до 99 % на железе почти не возникает коррозии. Однако в присутствии таких загрязняющих веществ, как диоксид серы или твердые частицы древесного угля, коррозия происходит при относительной влажности 50 % и более. Реакция коррозии происходит на открытой влажной поверхности таких металлов, как железо и нелегированная сталь. На многих металлах образуются защитные пленки, являющиеся продуктом коррозии, или оксидные покрытия. В результате этого влага не может оказывать воздействия на металлы.
Кислород. В электролитах, состоящих из растворенных в воде солей или кислот, присутствие растворенного кислорода ускоряет коррозию на сплавах на основе железа благодаря деполяризации зоны вблизи катода, происходящей в результате реакции с водородом, формируемом на катоде. Во многих системах, например, в котлах и водонагревателях, большая часть растворенного кислорода и других растворенных газов удаляется из воды при деаэрации, снижающей потенциал для коррозии.
Растворы. На черных металлах, таких как железо и сталь, минеральные кислоты увеличивают интенсивность коррозии, в то время как щелочи замедляют ее. Соответственно, катодная поляризация, замедляющая коррозию, снижается при повышении концентрации ионов водорода (т. е. кислотности внешней среды). Относительная кислотность или щелочность раствора определяется в рН, причем нейтральный раствор имеет значение рН, равное 7. Коррозионная активность большинства растворов солей зависит от их рН. Так как для сплавов на основе железа щелочные растворы в целом менее коррозийны, во многих закрытых системах водоснабжения на практике уменьшают коррозию при помощи добавления щелочи или щелочной соли, что позволяет увеличить рН до 9 или выше.
Дифференциальная концентрация раствора. Чтобы реакция коррозии могла происходить, необходима разность потенциалов областей анода и катода. Такая разность потенциалов между двумя областями на поверхности металла может установиться из-за разницы концентрации раствора в среде вблизи этих областей. Коррозия, вызываемая такими условиями, называется концентрационной коррозией. Ячейками концентрации коррозии могут быть ионы металла или ячейки концентрации кислорода. В ячейке, связанной с ионом металла, поверхность металла, контактирующая с большей концентрацией ионов растворенного металла, становится областью катода, а поверхность, контактирующая с меньшей концентрацией, становится областью анода. Фигурирующие в этой реакции ионы металла могут входить в состав окружающей среды или могут происходить из самой корродирующей поверхности. Разность концентрации может быть вызвана тем, что в одном месте ионы растворенного металла удаляются, а в другом – нет. В ячейке концентрации, связанной с кислородом, поверхность, контактирующая со средой, имеющей меньшую концентрацию кислорода, становится анодом. Щели или посторонние отложения на поверхности металла могут создавать условия, благоприятствующие коррозии. В этом случае область анода, где происходит коррозия, находится в щели или под отложением. Хотя и щелевая коррозия, и развитие отложений являются проявлениями концентрационной коррозии, они иногда рассматриваются как отдельные формы коррозии.

Корродирующая торцевая поверхность (анодная или из менее благородного металла)
↓ Магниевые сплавы
↓ Цинк
↓ Бериллий
↓ Алюминиевые сплавы
↓ Кадмий
↓ Малоуглеродистая сталь, кованое железо
↓ Чугун, чешуйчатый или ковкий
↓ Низколегированная сталь повышенной прочности
↓ Нирезист типа 1 и 2
↓ Морская латунь (СА464), латунь с высоким содержанием цинка (СА268), алюминиевая латунь (СА687), томпак (СА230), адмиралтейская латунь (СА443), марганцевая бронза
↓ Олово
↓ Медь (СА102, 110), кремниевая бронза (СА655)
↓ Свинцово-оловянный припой
↓ Оловянная бронза (G и М)
↓ Нержавеющая сталь с 12 и 14 % хрома (типы AISI 410, 416)
↓ Нейзильбер (СА 732, 735, 745, 752, 764, 770, 794)
↓ Медно-никелевый сплав в пропорции 90/10 (СА 706)
↓ Медно-никелевый сплав в пропорции 80/20 (СА 710)
↓ Нержавеющая сталь с 16 и 18 % хрома (типы AISI 430)
↓ Свинец
↓ Медно-никелевый сплав в пропорции 70/30 (СА 715)
↓ Никель-алюминиевая бронза
↓ Припои из серебряного сплава
↓ Никель 200
↓ Серебро
↓ Нержавеющая сталь с 18 % хрома, 8 % никеля (типы AISI 302, 304, 321, 347)
↓ Нержавеющая сталь с 18 % хрома, 12 % никеля и молибдена (типы AISI 316, 317)
↓ Титан
↓ Графит, графитированный чугун
Защищаемая торцевая поверхность (катодная или из более благородного металла)

Морская коррозия

Одним из наиболее опасных для металла явлений считается морская коррозия. Это электрохимический процесс, который запускается и протекает из-за особенностей состава жидкости.

В этом материале мы подробнее разберем особенности явления, его протекание и методы защиты.

Почему морская вода так опасна для металла

По статистике, металлические изделия в море портятся намного быстрее, чем в стандартных условиях на открытом воздухе.

Катализатором становится 3 особенности жидкости:

Большое количество кислорода. Как известно, именно он запускает окисление, которое и понимается под коррозией. Уровень содержания кислорода – до 8 мг на один литр.
Электропроводность. Морская вода выступает как хороший электролит. В некоторых морях ее электропроводность составляет 3х10-2 Ом-1 см-1.
Особый состав. Химики давно установили, что в жидкости присутствует весь набор веществ, делающих ее опасной для металла – от сульфатов натрия и солей кальция до хлоридов.

Коррозия в морской воде протекает быстрее, потому что у нее есть выраженное депассивирующее действие. Если на поверхности начинает формироваться защитная пассивная пленка, вода быстро разрушает ее.

Все что попадает в море начинает разрушаться. Убедитесь в этом, если посмотрите на состояния днищ кораблей, погруженных металлоконструкций, трубопроводов, проложенных по дну.

То же относится и к металлическим изделиям, которые периодически соприкасаются с агрессивной средой, к примеру, при охлаждении.

Особенности протекания процесса

Морская коррозия металлов протекает под воздействием множества внешних агрессивных факторов. Как мы уже отмечали, этот процесс относится к электромеханическим разновидностям процессов.

Его протекание напрямую связано с кислородной деполяризацией и дифузионно-кинетическим катодным контролем.

Проблем добавляет то, что сама вода постоянно двигается. Это связано не только с давлением, но и с тем, что суда постоянно находятся в движении с собственной скоростью.

В зависимости от условий, в которых находится металлоконструкция, меняется тип контроля:

При сильной аэрации и в местах с сильным течением, частым волнением, кинетический контроль выходит на первый план.
На участках где морская вода находится в неподвижном состоянии, преобладающим оказывается катодный контроль.

Если рассматривать процесс как катодно-анодную реакцию, мы увидим, что в качестве анода выступает металл, в то время как катодом становится оксидная пленка на его поверхности.

Морская коррозия становится заметной быстро. Она вызывает масштабное разрушение материала, на нем появляются язвы большой глубины, структура металла разрушается и становится хрупкой. Материал уже переносит прежнего нагрузок.

Также не стоит сбрасывать со счетов атмосферную коррозию в морских районах. Она связана с особым составом воздуха, воздействием других особых условий среды.

Что усиливает морскую коррозию

На разных морях ржавение металла протекает с разной скоростью. На скорость и особенности явления влияет 6 факторов среды:

Степень солености воды. Чем больше твердых веществ растворено в жидкости, тем больше будет степень солености. Этот фактор не сильно влияет на скорость или характер процесса, но чем больше содержание, тем выше будет опасность на контрасте с другими факторами.
Состав воды. Состав жидкости формирует благоприятную среду, в которой коррозия могла бы развиваться намного быстрее. Состав отличается в зависимости от географического расположения места. Одними из самых опасных веществ становятся хлориды и сероводород. Если их много, катодный и анодный процесс становятся более интенсивными. Также такой состав приводит к появления сульфидов, которые будет сложно растворить. Еще один фактор риска – большое количество ионов брома. Интересная особенность заключается и в том, что в ряде случае состав выступает и в качестве защитного фактора – он помогает сформировать специальную пленку, отталкивающую внешние угрозы.
Скорость течения. Чем быстрее течение, тем лучше будет диффузия кислорода. Потому, когда судно движется с большой скоростью, риск морской коррозии становится все более и более ощутимым. Но опасность представляет и неподвижная вода. Даже когда на море штиль, есть риск что ржавение начнет протекать с диффузионным контролем.
Место расположения ватерлинии. Место, с которым соприкасается морская вода, намного больше других поражено коррозионными процессами. Причина в том, что на этом участке кислород наиболее сильно влияет на металл. Также сказывается и температура. Вода, которая омывает ватерлинию более теплая из-за контакта с солнечными лучами.
Наличие прокатной окалины на поверхности металла. Опасность ее присутствия заключается в том, что в этом случае сильно упрощается формирование гальванопары. Это опасно, потому что возникает анодное растворение металла.
Биологический состав морской воды. Как и в почве, в морской воде много микроорганизмов, флоры и фауны, которые стимулируют разложение металла. К ним относятся различные виды бактерий, а также кораллы и моллюски. При их большом скоплении увеличивается риск образования коррозийных поражений. Исключение составляют только некоторые виды морских существ, которые не позволяют кислороду контактировать с металлическими частями. Скорость протекания коррозийного поражения также зависит от сплава, который был использован при изготовлении той или иной конструкции. Так опасность для биокоррозии представляют сплавы, в которых есть много свинца, никеля, олова и алюминия. Наиболее защищенными оказываются магниевые сплавы и медь.

Виды морской коррозии

В морской воде протекает 2 вида коррозии.

Наиболее распространенными среди них считаются следующие:

Контактная. Проявляется из-за контакта жидкости и металла. Причиной становится хорошая электропроводность. Если рядом в воде находится несколько металлических изделий, металл становится по отношению к стали катодом.
Электрокоррозия. Появляется, потому что в воде находятся блуждающие токи. Иногда проблемы оказываются связанными и с самими морскими судами, состоянием проложенной на них электросети.

Коррозия металла в морской воде способна за короткое время вывести из строя даже крупную металлоконструкцию. Как результат – она теряет прочность и обрушиться.

Это всегда риск появления человеческих жертв и больших убытков.

К 2020 году разработано множество средств, позволяющих или обеспечить защиту от агрессивной среды или замедлить протекание процесса. Их качество доказано на практике – удается получить заметный результат.

Рассмотрим вопросы защиты от морской коррозии более подробно.

Как защитить металл от повреждения

В работе используется несколько видов защитных средств, к которым относятся такие, как:

Использование специальных лакокрасочных покрытий

Как и в случае с борьбой с ржавением под открытым воздухом, очень важно не допустить контакта агрессивной среды с металлом. ЛКМ в таком случае подходят отлично.

Есть несколько типов материалов, которые можно свободно использовать в окрашивании.

К ним относятся такие, как:

Краски на основе битумов.
Составы с фенолформальдегидной основой.
Этинолевые лакокрасочные материалы.

Хорошо показывают себя вещества с эпоксидной, каменноугольной основой. Главное требование, чтобы в них было как можно меньше растворителей.

Главное преимущество использования такого средства заключается в простоте нанесения.

Краска наносится на поверхность, защищенные места сразу становятся хорошо видимыми.

Для дополнительного усиления, ограждающего от агрессивной среды эффекта, можно также применять разные окиси, в том числе, ртути и меди. В таком случае конструкция не будет обрастать морскими обитателями.

Чтобы нанесение ЛКМ дало лучшие результаты, поверхность металлоконструкции нужно будет фосфатировать. Только после этого допускается проведение окрашивания.

Стоит также учитывать, что оно должно быть как можно более толстым, чтобы удержаться дольше и сохранить заметный эффект.

Применение металлических защитных покрытий

В этом направлении работает наша компания. Среди самых распространенных видов составов можно назвать цинк.

Он наносится на металл слоем толщиной до 200 мкм. При этом создается хорошая защита от контакта со средой.

Еще одно преимущество – такой материал можно окрашивать.

Оцинковывают самые разные изделия, в том числе, днища морских судов.

Зачистка поверхности

Процесс очень важен, потому что позволяет снять окалину. Как мы уже говорили выше, ее присутствие способно в несколько раз ускорить негативный процесс.

Для удаления окалины могут применяться высокие температуры, химическое травление и очистка пескоструйным методом.

Низкое легирование

Изменение самого характера стали – один из действенных методов для борьбы с коррозией. По данным исследований, стали с большим содержанием никеля портятся особенно быстро, в то время как добавление меди помогает сделать конструкцию намного более стойкой.

Создание дополнительной электрохимической защиты

Она может быть двух типов – от внешнего источника тока или от протектора. При этом удается остановить формирование пор и протекание электрохимического процесса, представляющего большую опасность для материалов.

Все перечисленные методы используются и в месте. В таком случае, вероятность повреждения металла станет намного ниже. Вопрос о подборе материалов, правильном конструировании также стоит очень остро.

Защита методом горячего цинкования

Наша компания предлагает горячую оцинковку различных видов конструкций, в том числе тех, которые постоянно находятся в контакте с морской водой.

Работаем с 2007 года и готовы быстро выполнить даже наиболее сложный и крупный заказ.

4 причины обратиться к нам:

Действуют три цеха горячего цинкования. Наши производственные мощности – 120 тысяч тонн в год.
Работаем с большинством видов деталей и конструкций. На предприятии установлена одна из самых крупных ванн в ЦФО. Ее глубина составляет 3,43 метра.
Гарантируем качество. Горячее цинкование проводится строго по ГОСТ 9.307-89.
Используем передовое оборудование. Установлена европейская техника от KVK KOERNER и EKOMOR.

Готовы ответить на все интересующие заказчика вопросы и быстро приступить к работе. Звоните или оставляйте заявку на сайте.

Морская коррозия – один из видов электрохимической коррозии. Морская вода – отличный электролит. Морская вода хорошо аэрирована (около 8 мг/л кислорода), имеет достаточно высокую электропроводность (может достигать 3•10 -2 Ом -1 см -1 ), которая исключает появление омического торможения. Среда – нейтральная (рН = 7,2 – 8,6). В морской воде присутствуют соли кальция, калия, магния, сульфаты натрия, хлориды.

Именно из-за наличия в морской воде растворенных хлоридов (ионов-активаторов Cl - ) она обладает депассивирующим действием, по отношении к металлической поверхности (разрушает и предотвращает появление пассивных пленок на поверхности металла).

Морской коррозии подвергаются: металлическая обивка днищ судов, подводные трубопроводы, морская авиация, различные металлоконструкции, находящиеся в воде, металлические конструкции в портах, прокатные валки на блюминге, которые охлаждаются морской водой и т.п.

Наиболее часто выбирают для эксплуатации в условиях морской коррозии сталь. Для быстроходных морских судов и морской авиации используют более легкие сплавы.

Особенности процесса морской коррозии:

- высокая агрессивность среды (как самой воды, так и окружающей атмосферы);

- большое влияние контактной коррозии металлов;

- дополнительное влияние механического фактора (эрозия, кавитация);

- протекание биологической коррозии и большое влияние биологического фактора (обрастание днища морского суда микроорганизмами).

Морская коррозия протекает с кислородной деполяризацией и является электрохимическим процессом. Процесс проходит по смешанному дифузионно-кинетическому катодному контролю. При интенсивной аэрации, быстром движении морского суда или самой воды (течение) может преобладать кинетический контроль. В условиях неподвижной морской воды или при наличии на металлической поверхности толстого шара вторичных продуктов коррозии преобладает диффузионный катодный контроль.

В условиях морской коррозии защитная пленка (оксидная или шар продуктов коррозии) являются катодом, а металл в порах, трещинах и других дефектах – анодом.

При протекании морской коррозии кроме равномерного разрушения дополнительно образуются глубокие язвы.

Морская атмосфера менее агрессивна, чем промышленная.

При протекании морской атмосферной коррозии разрушения носят более равномерный характер, чем коррозия в морской воде.

Факторы морской коррозии металлов

Соленость воды

Соленость воды – влияет на скорость протекания морской коррозии незначительно. Соленость воды колеблется от 10‰ (Азовское море) до 35,6‰ (Тихий океан). Величина солености воды показывает количество твердых веществ в граммах, растворенных в 1000 г морской воды.

Состав морской воды

Состав морской воды иногда может играть достаточно большую роль. Например, присутствие в воде сероводорода облегчает протекание как катодного, так и анодного процессов коррозии. На поверхности металла образуются труднорастворимые сульфиды, кроме того идет подкисление среды. Ионы брома, йода даже при очень малом их содержании ускоряют процесс морской коррозии металлов. Некоторые соединения могут оказывать благоприятное действие (углекислый кальций, кремнекислые соединения). Они образуют на поверхности металла или сплава оксидную пленку, обладающую защитным эффектом.

Движение водных масс

Движение водных масс влияет на скорость диффузии кислорода. При интенсивном перемешивании воды (быстрое движение морского суда) процесс проходит преимущественно с кинетическим контролем, а при неподвижной воде – диффузионным.

Ватерлиния

Ватерлиния – зона периодического смачивания водой. Морская коррозия вблизи ватерлинии всегда носит усиленный характер. Это связано с облегченным доступом кислорода к поверхности (усиленной аэрацией поверхности металла); агрессивным влиянием брызг (на месте высохших брызг остаются кристаллики соли, которые препятствуют образованию защитных пленок); поверхностный слой морской воды более прогретый солнечными лучами и в условиях усиленной аэрации идет усиление коррозии металла.

Зазоры и щели

Наличие зазоров и щелей в металлоконструкции очень негативно влияет на морскую коррозию металла. Металл в щели плохо аэрирован и играет роль анода, проходит его усиленное растворение.

Прокатная окалина на поверхности металла

Наличие на поверхности металлоконструкции участков, неочищенных от прокатной окалины в десятки раз может ускорить протекание морской коррозии. На поверхности металла возникает гальванопара. В этом случае окалина является катодом, а чистый металл – анодом. Проходит анодное растворение металла. Такой же эффект наблюдается при наличии окрашенных участков (по отношению к неокрашенным) или при нарушении сплошности лакокрасочного покрытия.

Биологическая морская коррозия

Присутствие в морской воде различных микроорганизмов (бактерии, моллюски, кораллы и т.д.) обуславливает прохождение биокоррозии металла. Из-за их наростания и скопления на обивке днищ судов и других его частях, к поверхности плохо подходит кислород, возникают различные неровности, происходит разрушение поверхности, усиленное коррозионное разрушение в щелях и зазорах.

Иногда обрастание металлоконструкции микроорганизмами имеет и положительный характер. Образовавшийся слой может тормозить коррозионный процесс. Вот, например, обрастание поверхности стали мидиями значительно тормозит коррозию сплава. Это явление объясняется значительным потреблением мидиями кислорода.

Кроме значительного влияния микроорганизмов на коррозионный процесс, их значительное скопление на днище морского суда может несколько тормозить его ход, при этом необходимо увеличивать мощность двигателей.

Морской биокоррозии наиболее часто подвергаются стали, сплавы на никелевой, алюминиевой основе, свинец, олово сплавы на их основе.

Магний и цинк морской биокоррозии могут не подвергаться.

Наилучшим материалом для применения в условиях биокоррозии можно считать медь. Ее ионы токсичны и поверхность не обрастает.

Контактная коррозия

Очень часто в условиях морской атмосферы наблюдается контактная коррозия металлов. Отчасти это обусловлено хорошей электропроводностью морской воды.

Очень многие металлы, находясь в морской воде становятся катодами по отношению к стали.

Электрокоррозия

Электрокоррозия возникает в морской среде по двум причинам: во-первых, под действием блуждающих токов (особенно в районе порта и т.п.); во-вторых – в результате неправильных схем питания на судне или других объектах.

Механический фактор

В результате воздействия механического фактора возможна коррозионная усталость, коррозионная эрозия и кавитация.

Защита от морской коррозии

Наиболее распространенный метод защиты металлических изделий от морской коррозии – нанесение лакокрасочных материалов (ЛКМ).

В этих целях используются лакокрасочные материалы на основе битумов, фенолформальдегидной (краски АИШ), винилов (этинолевые лакокрасочные материалы), эпоксидной, каменноугольной основе. Содержание растворителей должно сводится к минимуму либо к нулю.

Лакокрасочные материалы хороши тем, что их достаточно просто наносить и при введении в их состав некоторых добавок можно добиться дополнительных защитных эффектов. Введение в краску окиси меди, окиси ртути или оловоорганических соединений делает краску необрастающей. Окись меди при вымывании с покрытия образует труднорастворимый комплекс. Эти вещества токсичны для микроорганизмов. Необрастающую краску наносят только на часть металлоконструкции, находящуюся в непосредственном контакте с водой.

При защите металла от морской коррозии поверхность сначала подвергают холодному фосфатированию, а только потом наносят толстослойное защитное лакокрасочное покрытие.

Лакокрасочные материалы на виниловой основе сами по себе обладают необрастающим эффектом.

Сплавы на основе алюминия защищают от морской коррозии при помощи оксидирования.

Для защиты от морской коррозии очень часто используют металлические защитные покрытия. Самое распространенное – цинковое. Толщина цинкового покрытия должна составлять около 150 – 200 мкм. Его можно использовать как самостоятельное защитное покрытие, так и в качестве основы под покраску.

Для обивки днища морского суда может использоваться легированный лантаном или цинком алюминий. Алюминиевое покрытие обладает высокой устойчивостью к коррозии, его можно применять в комплексе с лакокрасочным покрытием. Кроме того алюминиевые покрытия имеют повышенную стойкость к эрозии.

Для защиты стали от морской коррозии первым делом ее поверхность тщательно очищают от прокатной окалины. Для этого используют пескоструйную очистку, либо пламя, или же химическое травление. На обработанную и заранее подготовленную поверхность далее наносят лакокрасочное или металлическое покрытие.

Низкое легирование стали незначительно увеличивают ее стойкость в морской воде.

Высоколегированные хромоникелевые и хромистые стали в морской воде подвергаются местной язвенной и щелевой коррозии.

Высокой стойкостью к морской коррозии отличается медь и ее сплавы, особенно монель-металл, состоящий с 25 – 30% меди, а остальное – никель.

Широкое применение в практике защиты от морской коррозии нашла электрохимическая защита (протекторная или от внешнего источника тока).

Такая защита от морской коррозии может применятся самостоятельно или в комплексе с защитными покрытиями.

Особое место при защите конструкции от морской коррозии занимает рациональное конструирование. Правильный подбор материалов (во избежание контактной коррозии), защитных покрытий, равномерное распределение по всей конструкции напряжений и т.п. могут значительно продлить срок службы металлоконструкции.

Электрокоррозию можно предупредить, использую дренирование или же применяя специальные электросхемы.

Для защиты металлоконструкций от морской биологической коррозии применяют лакокрасочные материалы с биоцидными добавками. Также есть данные об использовании метода ультразвуковой защиты. Недостатком метода является большое потребление энергии и постепенное разрушение защищаемого материала. Суть метода состоит в воздействии на защищаемую поверхность ультразвуковых колебаний, имеющих частоту 23 – 27 кГц.

Для комплексной защиты стали от морской коррозии можно применять ультразвуковую и катодную защиту одновременно.

Коррозия в различных средах

Коррозия большинства стойких алюминиевых сплавов в воде, так же как и в атмосфере, носит преимущественно питтинговый характер, но протекает заметно неравномернее в виде редких и довольно крупных поражений.

Такое различие связано с электропроводностью воды, практически всегда более высокой, чем электропроводность тонких пленок влаги, в которой обычно развивается коррозия в атмосферных условиях. Неравномерность распределения очагов коррозии часто затрудняет точную их оценку и поэтому результаты замеров питтинговой коррозии часто носят случайный характер, при котором надежное определение основных закономерностей коррозионного поведения алюминия и его сплавов в воде не всегда возможно. Тем не менее анализ результатов, накопленных к настоящему времени в мировой практике, показывает, что глубина питтинга в воде, так же как и в атмосферных условиях, растет в соответствии с формулой h=Rτ 1/3 . Коэффициент R в большинстве случаев при испытаниях в воде существенно выше, чем в атмосферных условиях.

Количество питтингов, их характер и глубина проникновения в значительной мере зависят от состава воды и условий эксплуатации сплавов. Наибольшее влияние на коррозию оказывают такие факторы, как жесткость воды (присутствие в воде комплексов солей карбонатов, сульфатов и хлоридов), рН, содержание примесей тяжелых металлов (особенно меди и ртути), насыщение кислородом и др. В этой связи важное значение в определении скорости коррозионного процесса имеют такие условия, как скорость движения воды и температура.

Кроме влияния на электропроводность, перечисленные факторы могут в значительной мере изменять защитные свойства естественной оксидной пленки алюминия и его сплавов, ускорять или замедлять катодные и анодные реакции и т.д. На практике многие перечисленные факторы могут действовать одновременно и значительно ускорять процесс коррозии на алюминиевых сплавах.

Небольшое отклонение значения рН от нейтральной среды в кислотную (рН до 4,0) или слабо щелочную увеличивает скорость питтинга в естественной свежей воде. Минимальная скорость развития питтинга наблюдается при рН от 6 до 7. Бикарбонат незначительно влияет на коррозию алюминия. Его роль может быть заметной в присутствии таких примесей, как медь и хлориды. Максимальные потери наблюдались при содержании карбонатов 90 мг/л. Присутствие в воде сульфатов может повышать сопротивление питтинговой коррозии.

Наиболее заметный эффект вызывает наличие в воде солей тяжелых металлов и особенно меди и ртути. Содержание в 1 л дистиллированной воды только 0,10 мг меди вполне достаточно, чтобы вызвать появление питтинга на алюминии. Однако влияние меди в значительной степени определяется наличием в среде других веществ, например хлоридов, карбонатов, при совместном присутствии которых увеличиваются коррозионные потери уже при содержании ионов меди 0,06 мг/л. В свою очередь отрицательное влияние меди связано с рН среды и проявляется в основном при значении рН ниже 8.

Железо обладает меньшей коррозионной активностью. Тем не менее присутствие в воде ржавчины усиливает коррозию алюминия и его сплавов, особенно при повышении температуры и изменении скорости потока. В этом случае прямые участки трубопроводов покрываются плотным защитным слоем ржавчины, а в местах турбулентного потока или изменения скорости ржавчина не удерживается, и они служат эффективными анодами.

Значительно более агрессивное действие на алюминий и его сплавы в воде может оказывать ртуть. Резкое снижение коррозионной стойкости наблюдается даже в присутствии следов металлической ртути.

Большое влияние на коррозионную активность воды оказывают хлориды. Некоторое заметное увеличение скорости коррозии наблюдается при увеличении их концентрации от 50 до 300 мг/л. Как уже отмечалось, влияние хлоридов резко возрастает в присутствии ионов меди и заметно в присутствии карбонатов.

Хлорированная вода при концентрации свободного хлора до 0,5 мг/л не оказывает заметного влияния на коррозию алюминия и его сплавов. В то же время содержание хлора в пределах от 10 до 50 мг/л приводит к значительному увеличению коррозии трубопроводов из алюминиевых сплавов. Кроме перечисленных факторов, на скорость питтинговой коррозии сложное влияние оказывают скорость движения потока воды и ее температура. При повышении температуры до 50 °С скорость коррозии алюминия и его сплавов в воде увеличивается, затем при более высоких температурах резко уменьшается, что, по-видимому, связано с уменьшением растворимости в воде кислорода и формированием при 70- 80 °С бемита. Как правило, при повышении скорости потока до 2-4 м/с коррозия алюминиевых сплавов уменьшается вследствие усиления пассивации. Дальнейшее повышение скорости может снижать сопротивление коррозии из-за абразивного воздействия и кавитации.

Таким образом, в зависимости от условий коррозионная стойкость алюминиевых сплавов в пресной воде изменяется в очень широких пределах: от стойкого состояния до состояния пониженной стойкости. Например, в дистиллированной или чистой конденсированной воде возможно применение алюминиевых сплавов в виде труб и других изделий в течение длительного времени без замены, что определяет их широкое использование для контейнеров дистиллированной и деионизированной воды, а также в системах парового обогрева. В жесткой воде (общая жесткость 300-500 мг/л) при содержании меди 0,08 мг/л алюминиевые трубы выходят из строя через 4-6 лет, а при увеличении температуры до 70- 90 °С - через 0,5-1,5 года.

На основе результатов, полученных с учетом развития питтинга в отсутствии защиты, толщину стенки больших резервуаров для хранения воды выбирают не менее 6 мм, что позволяет эксплуатировать их длительное время. Толщина стенок труб, по которым течет жесткая агрессивная вода должна быть не менее 4,5 мм, а неагрессивная мягкая вода - не менее 1,5 мм.

Для применения в пресной воде с температурой до 100 °С обычно используют различные марки алюминия, низколегированные сплавы различных систем - АМц, Д12, АД31, АДЗЗ, АМг2. В слабоагресснвной движущейся воде можно использовать сплавы 1935 и 1915. При высоких температурах (от 100 до 250 °С) в чистой воде находят применение алюминий и его сплавы, легированные катодными добавками (хром, железо, медь), которые в данных условиях тормозят развитие коррозии.

Для того, чтобы удлинить срок службы и уменьшить толщину стенки изделий, применяющихся в пресной воде, их защищают плакированием или напылением алюминиевыми сплавами, анодными по отношению к основе. Такой подход значительно расширяет выбор сплавов, предназначенных для эксплуатации в воде и делает возможным применение даже вторичных сплавов типа ВД1, защищаемых плакировкой из АД1 или АЦ2.

В замкнутых системах целесообразно применять подходящие ингибиторы в концентрациях, предотвращающих образование питтингов.

Морская вода

Главным компонентом, определяющим коррозионную агрессивность морской воды, являются галоидные ионы, концентрация которых достигает 30 г/л. Поэтому на практике для имитации действия морской воды применяют ускоренные испытания в хлоридных растворах.

Испытания в морской воде отличаются от испытаний в таких растворах более локальным развитием коррозии и приводят к большей глубине поражений при меньших общих потерях (например, массы). В морской воде более четко и ярко по сравнению с 3%-ным раствором NaCl проявляются структурные виды коррозии РСК, МКК и КР, характерные для ряда алюминиевых сплавов.

Агрессивность морской воды в отличие от пресной может в значительной мере определяться содержанием кислорода, концентрация которого в зависимости от солености воды, скорости движения потока и глубины погружения может меняться в широких пределах.

Важным фактором, влияющим на коррозионное воздействие морской воды в естественных условиях, является биологическое обрастание, которое, как правило, более интенсивно идет в поверхностных слоях и может приводить как к уменьшению, так и к увеличению стойкости алюминиевых сплавов.

Данные, представленные в табл. 70, 71, показывают, что коррозионная стойкость алюминия и его сплавов в морской воде значительно ниже чем в атмосферных условиях и существенно понижается по мере увеличения глубины погружения в морскую воду. Это прежде всего связано с понижением концентрации кислорода в воде. Такая зависимость коррозии от содержания кислорода характерна практически для всех металлов, находящихся в пассивном состоянии. Некоторое положительное влияние в поверхностных слоях моря может оказывать биологическое обрастание, при котором на поверхности образца образуется тонкая, почти сплошная карбонатная пленка, легко растворимая при обработке образцов в кислотах (в частности, в HN0₃). Одновременно наличие такой пленки может приводить к еще более неравномерному распределению очагов коррозии.

Основные закономерности коррозионного поведения алюминия и его сплавов в зависимости от природы сплава во многом совпадали с закономерностями, отмеченными для этих сплавов в морской атмосфере.

Глубина питтинговой коррозии на алюминии различных марок в ряде случаев может быть заметно больше, чем некоторых низколегированных сплавов типа АМг2, АМц и др. Чем чище по примесям алюминий, тем больше может быть максимальная глубина поражений. Относительно высокой коррозионной стойкостью характеризуются низко- и среднелегированные сплавы системы А1-Mg, что и определяет их широкое применение в качестве важных конструкционных материалов в морских строительных конструкциях. Неправильная термообработка полуфабрикатов из сплава, содержащего выше 3,5 и особенно выше 5 % Mg, приводит в ряде случаев к резкому снижению коррозионной стойкости из-за появления чувствительности к МКК и РСК.

Искусственное старение сплава типа АДЗЗ приводит к заметному уменьшению коррозионной стойкости из-за появления чувствительности к МКК. По этой же причине сварные соединения сплавов системы А1-Mg- Si являются нестойкими в морской воде. Значительно понижается коррозионная стойкость сварных соединений сплавов системы А1-Mg.

Сплавы системы AI-Zn-Mg (1915Т, 1935Т и др.) в большинстве случаев бывают нестойкими в морской воде из-за чувствительности к РСК, которая особенно сильно развивается вблизи сварных швов.

Высоколегированные сплавы Д16Т и В95Т1 в морской воде также подвержены интенсивной РСК, скорость которой значительно выше, чем в атмосферных условиях На сплаве В95 в состоянии Т2 и ТЗ развивается только язвенная коррозия с глубиной, приблизительно соответствующей глубине коррозии на низко- и среднелегированных алюминиевых сплавах. Биологическое обрастание значительно тормозит развитие РСК на высокопрочных алюминиевых сплавах, и глубина от этого вида коррозии при испытании в поверхностном слое морской воды может быть меньше, чем в атмосферных условиях.

Данные за 10 и 16 лет выдержки в морской воде стойких алюминиевых сплавов подтверждают вывод о том, что коррозия в этой агрессивной среде, так же, как и в обычной воде и в атмосфере, идет с торможением скорости роста питтинга во времени, но при этом k в формуле (22) значительно выше, чем при росте питтинга в атмосферных условиях. Повышение k происходит не только в результате увеличения эффективности действия «катодных элементов», но и вследствие возрастания общей суммы легирующих элементов в сплаве.

В морской воде контактная коррозия значительно более опасна, чем в атмосферных условиях. Степень-опасности контактной коррозии алюминиевых сплавов в 3,5 %-ном растворе NaCl уменьшается в ряду медь> >сталь 3>нержавеющая сталь>титановый сплав. Относительно высокая электропроводность морской воды в значительной мере облегчает защиту алюминиевых сплавов электрохимическим способом. Очень эффективно в данном случае применение анодных плакировок, поэтому такой сплав, как АМц, часто применяется в плакированном виде. Результаты испытаний показывают высокую надежность плакировок, содержащих цинк. Коррозионная стойкость после одного года испытаний на таком металле (0,4 мм) заметно выше, чем на металле без плакировки (3,2 мм).

Сплавы системы А1 - Mg и другие алюминиевые сплавы могут быть достаточно легко защищены при использовании расходуемых анодов. Наиболее эффективными считаются аноды из сплавов на основе системы А1 - Zn - Hg. Наряду с этими можно применять аноды на основе цинка и алюминиевого сплава системы А1 - Zn - Mg. Применять аноды из магния нельзя, так как это приводит к перезащите в результате повышения рН около катода.

Применение алюминиевых сплавов в морских средах постоянно расширяется. Построены суда с алюминиевыми корпусами, в том числе суда на подводных крыльях. Алюминиевые корпуса небольших судов не окрашиваются. Окрашивание обычно проводят для предотвращения и очистки корпусов от биологического обрастания. При этом применяются составы на основе оловянно-органических соединений.

Для крепежа можно применять детали, выполненные из стали, но обязательно с покрытием, лучшими из которых являются цинк (горячее цинкование), а также алюминивые сплавы (горячее алюминирование). Перспективно применение алюминиевых сплавов в опреснительных установках.

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

ХИМИЗМ ВОДЕЙСТВИЯ ВОДЫ НА МАТЕРИАЛЫ

В процессе водоподготовки и очистки самые различные материалы постоянно контактируют с водой. Это – материалы, применяемые для строительства гидротехнических сооружений и сооружений водопровода и канализации. Материалы трубопроводов, транспортирующих воду различного состава, материалы машин и механизмов, охлаждаемых водой и т.д. В практике водоснабжения и канализации широко применяются чугун, сталь и железобетон. Активное воздействие воды на эти материалы проявляется в коррозии металлов.

Коррозией называется процесс разрушения поверхности металла в результате химического или электрохимического воздействия на нее окружающей среды.

Химически чистая вода – очень слабый электролит. Электропроводность природных и сточных вод значительно выше, т.к. они содержат достаточно много разнообразных солей, диссоциирующих в воде на ионы.

Электропроводность металлов объясняется наличием в кристаллической структуре свободных или очень подвижных электронов. При контакте металлической поверхности с водой заряженные частицы металла (катионы) могут переходить в раствор, а электроны остаются в металле. В результате водный слой, контактирующий с металлом, приобретает положительный заря, а оставшиеся в металле некомпенсированными электроны сообщают ему отрицательный заряд.

Поскольку и металл и электролит являются сложными системами, содержащими электрические заряды, на границе (металл –раствор) возникает скачок электрического потенциала, который называют электродным потенциалом. Электрохимическая неоднородность границы (металл –электролит) приводит к тому, что электродный потенциал, возникающий на отдельных участках, оказывается различным. Это различие в электродных потенциалах на некоторых участках границы (металл –электролит) приводит к возникновению электрохимических пар (анодных и катодных участков), между которыми протекает коррозионный ток.

Электрохимическая коррозия протекает как два достаточно самостоятельных процесса:

1) анодный процесс, состоящий в переходе ионов металла в раствор; для железа он может быть представлен след. образом: [Fe 2+ + 2e - ] → Fe 2+ + [ 2e - ]

металл раствор металл

2) катодный процесс, заключающийся во взаимодействии избыточных электронов металла с каким-либо атомом или ионом, способным восстанавливаться; основными реакциями на катоде являются восстановление протона до газообразного водорода:

2Н + + 2е - → Н + Н → Н

и восстановление кислорода с образованием гидроксил-ионов

Ток между анодом и катодом протекает в результате движения электронов в металле и ионов в растворе в соответствии со знаком заряда. При электрохимической коррозии разрушение металла происходит только на анодных участках. Тогда как на катоде потерь металла не обнаруживается.

Факторы, влияющие на интенсивность процесса коррозии На скорость и интенсивность коррозии оказывает влияние как характер обработки поверхности металла, так и состав и условия воздействия внешней среды. Грубо обработанная поверхность активно корродирует, тогда как шлифовка и полировка металла повышают устойчивость его против коррозии. Поверхность металла может стать пассивной в результате образования на ней защитной оксидной пленки. Пассивация наблюдается при контакте металла с сильными окислителями, в том числе с кислородом. Основными определяющими факторами коррозии в водной среде являются:

1. углекислое равновесие и концентрация растворенного кислорода;

2. концентрация солей в воде;

3. присутствие в воде микроорганизмов.

Углекислое равновесие Различные соединения углекислоты в воде находятся в состоянии динамического равновесия. Практическое значение имеет карбонатно-кальциевая система равновесий, которая обусловливает такие свойства воды, как стабильность и агрессивность:

полусвязанная связанная свободная

В условиях равновения концентрация свободной углекислоты в воде точно соответствует тому ее количеству, которое необходимо для поддержания в растворе определенной концентрации гидрокарбоната кальция. Это равновесная углекислота. Если количество СО2 в точности отвечает равновесной концентрации, вода называется стабильной , в ней не происходит ни растворения, ни выпадения карбонатов.

Если концентрация СО₂ меньше равновесной, реакция происходит слева направо, в результате чего карбонат кальция – соединение малорастворимое – выделяется на поверхности металла, образуя пленку с выраженными защитными свойствами.

Избыток СО₂ сверх равновесной концентрации называется агрессивной углекислотой. Углекислотная агрессивность воды по отношению к металлам обусловлена понижением рН воды. Кроме того, защитная пленка карбоната кальция при контакте с агрессивной водой растворяется, что способствует развитию коррозии.

Стабильность воды оценивается рядом способов, один из которых – определени6е разности величин рН исследуемой воды (рН₀) и воды с равновесными концентрациями соединений углекислоты (рН_s). Разность между этими величинами называется индексом насыщения:

Если I= 0, вода считается стабильной ; при I> 0 вода способна выделять карбонат кальция; при I

Концентрация солей в воде. Увеличение общего солесодержания повышает электропроводность воды и таким образом приводит к ускорению коррозионных процессов. Однако значительное повышение концентрации солей может привести к снижению скорости коррозии в результате уменьшения растворимости кислорода.

Некоторые катионы и анионы, присутствующие в воде, играют роль стимуляторов коррозии. Например, хлорид-ионы могут замещать кислород в защитной оксидной пленке, что приводит к образованию в ней пор и облегчает начало коррозии. Сульфаты ускоряют коррозию непосредственно увеличивая электропроводность и косвенно способствуя развитию биологической коррозии. К числу стимуляторов коррозии относятся также ионы металлов с переменной степенью окисления., например Сu 2+ → Cu + , Fe 3+ → Fe 2+ . Они ускоряют реакцию на катоде, выполняя роль деполятора: Fe 3+ + е - → Fe 2+

Хроматы, силикаты, гидроксил-иоы, напротив, снижают интенсивность коррозионных процессов, способствуя образованию защитных пленок на металле.

Роль микроорганизмов в коррозии металлов Многие виды бактерий являются активными коррозионными агентами. Наибольшее значение имеют группы бактерий, участвующих в превращениях железа и серы.

Роль микроорганизмов в процессах сводится к ускорению деполяризации катода путем ферментативного переноса электронов, выделению коррозионных продуктов обмена, образованию пар дифференциальной аэрации.

Поселяясь в трубах, бактерии образуют на них стенках слизистые скопления, обладающие высокой механической прочностью и поэтому не смываемые током воды. Прочность этих образований обусловлена волокнистой структурой оболочек железобактерий. Коррозия начинается с образования на внутренней поверхности трубы желтых или темно-коричневых налетов или каверн, состоящих из гидроксида трехвалентного железа. Участки труб под кавернами оказываются изолированными от воды, и доступ кислорода к ним затруднен. Т.о., развитие железобактерий приводит к образованию на поверхности трубы зон с различной степенью аэрации, что приводит к возникновению коррозионного тока. Участки под кавернами функционируют как аноды. Деятельность железобактерий на анодных участках приводит к окислению Fe 2+ в Fe 3+ и его гидролизу. Образование гидроксида трехвалентного железа сопровождается снижением рН до 5-6, т.е. созданием коррозионной среды.

Сульфатредуцирующие бактерии- строгие анаэробы. Микробиологическая коррозия такого типа является вторичным процессом и развивается вслед за обычной электрохимической коррозией. При этом под слоем ржавчины – продукта коррозии – создаются благоприятных анаэробные условия для развития сульфатредуцирующих бактерий. Необходимым условием для начала процесса является наличие сульфатов. В природных и сточных водах они всегда есть. Сульфатредуцирующие бактерии часто развиваются под массой железобактерий, обеспечивающих им строго анаэробные условия. В этом случае выделяющийся при восстановлении сульфатов серрводород вступает во взаимодействие с гидроксидом трехвалентного железа – продуктом жизнедеятельности железобактерий:

Защита металлических трубопроводов и конструкций от коррозии Основными способами защиты поверхности металла от коррозии являются нанесение на металлическую поверхность защитного слоя и электрохимическая защита.

Для защиты трубопроводов обычно применяют первый способ. Наружную поверхность труб защищают от коррозии нанесением слоя каменноугольной смолы. Для внутренней поверхности чугунных труб применяют битумные или полимерные покрытия, которые наносятся при изготовлении труб на заводе.

Предотвратить или замедлить коррозию можно путем предварительной обработки транспортируемой по ним воды. В этом случае к воде добавляют соответствующие реагенты, которые обеспечивают осаждение на внутренней поверхности труб нерастворимых соединений, образующих защитную пленку. Так называемая стабилизационная обработка воды - один из самых эффективных способов борьбы с коррозией водопроводных труб.

При положительном индексе насыщения воду обрабатывают соляной или серной кислотой. При этом содержание в воде ионов НСО₃ - снижается, а концентрация СО₂ возрастает согласно реакции НСО₃ - + Н + → СО₂ + Н₂О вследствие чего выпадение из воды карбоната кальция прекращается.

При I3 - по реакции СО₂ + ОН - → НСО₃ - , в результате такой обработки вода перестает быть коррозионной. К числу веществ, добавление которых к воде приводит к образованию защитных пленок и торможению процесса коррозии, относятся гексаметафосфат натрия и жидкое стекло. При обработке воды гексаметафосфатом натрия образуются малорастворимые соединения, которые цементируют коррозионные отложения, делают их плотными и малопроницаемыми для воды и кислорода. Применение жидкого стекла для защиты от коррозии основано на его способности взаимодействовать с ионами кальция и магния, присутствующими в воде, и образовывать защитную пленку, состоящую из силикатов указанных металлов.

Сущность электрохимической защиты состоит в предотвращении растворения железа на анодных участках путем присоединения к системе анодов (протекторов), изготовленных из металлов с более отрицательным электродным потенциалом, чем защищаемый металл. Для защиты стальных конструкций могут быть использованы аноды из цинка, алюминия и их сплавов. Защищаемое сооружение выполняет роль катода.

Универсальных средств защиты от микробиологической коррозии не существует. Описанные методы создания защитных покрытий обеспечивают изоляцию металлической поверхности от воды, а следовательно, и от микробиологического воздействия. В некоторых случаях могут использоваться бактерицидные или бактериостатические вещества.

Разрушение бетона и железобетона под воздействием воды. Бетон и железобетон являются основными материалами, используемыми в строительстве сооружений водопровода и канализации. Вода, активно воздействуя на эти материалы, вызывает их разрушение, что может привести к нарушению технологических процессов, снижению пропускной способности трубопровода, ухудшению качества воды. Возможность и скорость разрушения бетонных и железобетонных конструкций под воздействием воды зависят как от состава воды, контактирующей с ним, и от условий этого контакта. Считается, что арматура железобетона не корродирует до тех пор, пока слой плотного водонепроницаемого бетона, защищающего ее. По тем или иным причинам не нарушается. Появление трещин и постепенное разрушение бетона обеспечивает доступ агрессивной среде к арматуре и способствуют развитию коррозии. Коррозия арматуры железобетона имеет электрохимическую природу. С развитием коррозии объем образующейся ржавчины постепенно увеличивается, что приводит к разрыву слоя бетона вдоль арматуры.

Химическое разрушение бетона вызывается процессами трех типов:

1. растворение в водной среде компонентов бетона;

2. химическое взаимодействие компонентов бетона с присутствующими в воде веществами, сопровождающееся выносом продуктов реакции в воду и ослаблением механической прочности бетона;

3. образованием в теле бетона продуктов химических реакций, вызывающих разрыв и разрушение бетона.

Действие агрессивной углекислоты.При твердении бетона в нем образуется около 10% свободного гидроксида кальция. Это обеспечивает создание сильнощелочной среды с рН =14. Такой бетон обладает защитными свойствами по отношению к арматуре. Действие агрессивной углекислоты на бетон проявляется в выщелачивании из бетона извести. Этот процесс является одной из основных причин разрушения бетона. Выщелачивание извести, или процесс карбонизации бетона, описывается реакцией :

Карбонизация может быть поверхностной, и в этом случае стойкость бетона увеличивается, т.к. образующаяся корка СаСО₃ обладает защитными свойствами. Однако в условиях постоянного контакта с агрессивной углекислотой это слой легко растворяется в соответствии с реакцией:

Совокупность реакций 1 и 2 приводит к выщелачиванию из бетона извести и переводу ее в растворимый гидрокарбонат кальция.

Процесс карбонизации может происходить не только на поверхности, но и в толще бетона, что приводит к уменьшению его механической прочности и снижению защитных свойств по отношению к арматуре. Карбонизация в толще бетона обычно происходит на отдельных участках бетона, в местах трещин, пустот и других дефектов.

Влияние рН. Значение рН среды, контактирующей с бетоном, не должно выходить за пределы 6-9. Разрушающее действие кислот на бетон возрастает с увеличением растворимости образующихся кальциевых солей в ряду серная кислота, азотная и соляная. Сильнощелочные соединения, присутствующие в сточных водах, приводят к растворению алюмосодержащих компонентов бетона и таким образом нарушают его структуру.

Влияние ионного состава воды. Скорость разрушения бетона зависит от ионного состава воды. Например, если вода содержит много аммонийных соединений, то при контакте ее с сильнощелочной средой в теле бетона может наблюдаться выделение аммиака, ускоряющего растворение извести и разрушение бетона. Аналогичное действие оказывают соли магния и любые более слабые, чем известь, основания. Особенно агрессивной по отношению к бетону является вода, содержащая одновременно повышенные концентрации соединений аммония и магния и сульфаты.

Влияние микроорганизмов. Разрушение бетона часто связано с деятельностью бактерий, осуществляющих превращения серы. При этом создаются оптимальные условия для жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий, восстанавливающих сульфаты при сопряженном окислении органических веществ с образованием Н2S. Разрушения бетона происходят, в основном, в верхней части трубопровода над уровнем воды, Условия в этой зоне (наличие кислорода, сероводорода, влаги) оказываются очень благоприятными для развития бактерий, осуществляющих реакции по разрушению бетона. Для предотвращения развития таких процессов прежде всего необходимо поддерживать такую скорость движения воды в трубопроводе, при которой невозможно образование осадков.

Химическое разрушение бетона в морской воде вызывается обрастанием, состоящим из живых организмов. В процессе дыхания они выделяют СО₂, в результате чего защитная корка СаСО3 на бетоне растворяется. Растительные организмы не разрушают бетон, т.к. поглощают СО2 в процессе фотосинтеза. Т.о. разрушение бетона в морской воде обусловлено совокупным действием химических, механических и биологических процессов.

Читайте также: