Почвенная коррозия металлов

Различные трубопроводы, силовые кабели и кабели связи, опоры, емкости и другие металлические конструкции эксплуатируются в подземных условиях. В США, например, затраты на текущий ремонт и замену вышедших из строя труб составляют несколько сот миллионов долларов в год.

Почва и грунт представляют собой сложную природную среду, особенности которой надо учитывать при рассмотрении протекающих в ней процессов коррозии.

Вода в грунте присутствует в виде связанной, капиллярной и гравитационной. Связанная вода, входящая в состав гидратированных химических соединений, не оказывает влияния на коррозию.

Высота подъема капиллярной влаги зависит от эффективного радиуса пор грунта. Уровень грунтовых вод и пористость грунта определяют влажность, которая влияет на скорость коррозии.

Гравитационная влага перемещается по грунту под действием силы тяжести и также влияет на режим влажности почвы. Разные почвы по разному удерживают влагу. Тяжелые, глинистые почвы удерживают влагу длительное время, песчаные почвы — более проницаемы.

С увеличением влажности почвы ее коррозионная активность повышается до тех пор, пока не достигнет некоторого критического уровня. В дальнейшем с увеличением влажности ее активность падает. Это связывают с уменьшением доступа кислорода, необходимого для осуществления катодной реакции.

Для каждого вида почвы существует свое значение критической влажности, при которой коррозионные потери достигают максимума. Для глинистых почв это значение лежит между 12 и 25 %, для песчаных — между 10 и 20 %.

При малой увлажненности почвы велики омические потери, что затрудняет протекание электрохимических процессов. Значение рН для большинства почв находится в границах рН = 6,0-7,5. Однако, встречаются также щелочные суглинки и солончаки, имеющие значение рН = 7,5—9,5, и кислые, гумусовые и болотные почвы с рН = 3,0-6,0. Такие почвы отличаются высокой агрессивностью.

Минерализация почвы может меняться в широких пределах — от 10 мг/л до 300 мг/л, что тоже сказывается на скорости коррозии.

Минералогический и гранулометрический состав грунтов, так же как и влажность, влияет на омическое сопротивление. Так, в сухом песчано-глинистом грунте удельное сопротивление почвы составляет 240000 Ом-см, а во влажном песчано-глинистом грунте — 900 Ом-см. Этот показатель также влияет на агрессивность почвы. Ниже приведены данные, характеризующие взаимосвязь между электросопротивлением и агрессивностью почвы (табл. 6.2).

Большое значение имеет воздухопроницаемость почв. Затруднение доступа кислорода снижает скорость коррозии. По этой причине песчаные почвы часто более агрессивны, чем глинистые. Если трубопровод пролегает последовательно в глинистых и песчаных почвах, т.е. в условиях неравномерной аэрации, то возникают микрогальванические коррозионные зоны: на глинистом участке — анодная, а на песчаном — катодная (рис. 6.4). Разрушение металла протекает на тех участках, к которым затруднен доступ кислорода. Анодные и катодные участки могут быть значительно удалены друг от друга. Расстояние между ними может составлять несколько сотен метров.

В большинстве почв процесс коррозии протекает с катодным

торможением из-за трудности транспорта кислорода (рис. 6.5, а). В рыхлых, хорошо аэрируемых почвах наблюдается анодное торможение (рис. 6.5,6). При возникновении коррозионных пар, в которых анодные и катодные участки значительно удалены друг от друга, процесс характеризуется омическим торможением (рис. 6.5, б).

Помимо равномерной коррозии подземные металлические сооружения подвержены питтингу и коррозионному растрескиванию (КР). Питтинг возникает чаще всего на нижней части трубопроводов, где имеется постоянный контакт с грунтом. КР обнаруживают в катод-но поляризованных трубопроводах в местах нарушения защитных покрытий.

Для защиты изделий от подземной коррозии используют электро-

химические методы, а также нанесение изолирующих (битумных, полимерных) многослойных покрытий.

Блуждающие токи являются причиной серьезных коррозионных разрушений подземных коммуникаций и сооружений в промышленной зоне. Блуждающие постоянные токи появляются вследствие утечки в грунт постоянного тока, потребляемого наземным и подземным рельсовым транспортом (метро, трамвай, электрифицированная железная дорога), электросварочными агрегатами. Участки, где блуждающие токи входят из земли в металлическую конструкцию, становятся катодами, а там, где ток стекает с металла в почву—анодами. Интенсивность коррозионных повреждений находится в прямой зависимости от величины блуждающих токов и подчиняется закону Фарадея. Протекание тока величиной в 1 А в течение года соответствует растворению около 9 кг железа. В некоторых неблагоприятных случаях были зарегистрированы блуждающие токи величиной до 200—500 А. Отсюда видно насколько интенсивными могут быть повреждения от блуждающих токов. Если анодная область равномерно распределена по большой поверхности, коррозионные потери могут и не вызывать аварийных разрушений, но в местах нарушения неметаллического защитного покрытия коррозионные разрушения происходят быстро.

Для защиты трубопроводов от действия блуждающих токов используют дренаж — соединение металлической шиной источника блуждающих токов, например, рельсов, с их приемником, например, трубопроводом. Если дренаж установить невозможно, то в направлении рельса закапывают специальный анод из чугуна, который соединяют с анодной областью трубопровода медным проводником. Тогда блуждающий ток вызывает коррозию только этого специального анода. Если дополнительного анода недостаточно, то в цепь между анодом и трубой включают источник постоянного тока противоположного направления. Для уменьшения разрушающего действия блуждающих токов используют также изолирующие прокладки в местах стыка трубопровода.

Подземная коррозия может интенсифицироваться микроорганизмами. В почве обитают два вида микроорганизмов: аэробные, жизнедеятельность которых протекает только при наличии кислорода, и анаэробные бактерии, развивающиеся при отсутствии кислорода. Коррозия металлов, вызванная или усиленная воздействием микроорганизмов, носит название биологической или биохимической.

Аэробные бактерии могут быть двух видов: одни окисляют серу, другие — осаждают железо. Первый вид бактерий лучше всего развивается в кислой среде (рН = 3-1-6). Они окисляют серу до серной кислоты. При этом на отдельных участках концентрация серной кислоты может доходить до 10%. Такое подкисление среды вызывает резкое увеличение скорости коррозии.

Сущность их деятельности заключается в

том, что они поглощают железо в ионном состоянии, а выделяют его в виде нерастворимых соединений. Неравномерное отложение этих соединений приводит к увеличению гетерогенности поверхности, что усиливает коррозию.

. Последний начинает принимать активное участие в катодном процессе. Присутствие в коррозионной среде сульфидов и сероводорода приводит к образованию на поверхности изделия рыхлого слоя сульфида железа. Коррозия имеет питтинговый характер.