Скорость коррозии металла в грунте

Скорость коррозии металлов. Методы оценки коррозионных процессов

Скорость коррозии – многофакторный параметр, который зависит как от внешних условий среды, так и от внутренних свойств материала. В нормативно-технической документации существуют определенные ограничения по допустимым значениям разрушения металла при эксплуатации оборудования и строительных конструкций для обеспечения их безаварийной работы. В проектировании не существует универсального метода определения скорости коррозии. Это связано со сложностью учета всех факторов. Наиболее надежным методом является изучение истории эксплуатации объекта.

Критерии

Вам будет интересно: Процессы изобарный, изохорный, изотермический и адиабатный для идеального газа

В настоящее время в проектировании техники используют несколько показателей скорости коррозии:

  • По прямому способу оценки: уменьшение массы металлической детали на единицу поверхности – весовой показатель (измеряется в граммах на 1 м2 за 1 час); глубина повреждений (или проницаемость коррозионного процесса), мм/год; количество выделяющейся газовой фазы продуктов коррозии; продолжительность времени, в течение которого появляется первое коррозионное повреждение; число центров коррозии на единицу площади поверхности, появившихся за определенный срок.
  • По косвенной оценке: сила тока электрохимической коррозии; электрическое сопротивление; изменение физико-механических характеристик.

Первый показатель по прямому методу оценки является наиболее распространенным.

Расчетные формулы

В общем случае весовые потери, определяющие скорость коррозии металла, находят по следующей формуле:

где q – уменьшение массы металла, г;

S – площадь поверхности, с которой произошел перенос материала, м2;

t – период времени, ч.

Для листового проката и изготовленных из него обечаек определяют глубинный показатель (мм/год):

m – глубина проникновения коррозии в металл.

Между первым и вторым показателями, описанными выше, существует следующая зависимость:

где ρ – плотность материала.

Основные факторы, влияющие на скорость коррозии

На скорость разрушения металла влияют следующие группы факторов:

  • внутренние, связанные с физико-химической природой материала (фазовая структура, химический состав, шероховатость поверхности детали, остаточные и рабочие напряжения в материале и другие);
  • внешние (окружающие условия, скорость движения коррозионно-активной среды, температура, состав атмосферы, наличие ингибиторов или стимуляторов и другие);
  • механические (развитие коррозионных трещин, разрушение металла под действием циклических нагрузок, кавитационная и фреттинг-коррозия);
  • конструктивные особенности (выбор марки металла, наличие зазоров между деталями, требования к шероховатости).

Физико-химические свойства

Вам будет интересно: Такие обычные люди, или значение «почему бы и нет»

Наибольшее значение среди внутренних факторов коррозии имеют следующие:

  • Термодинамическая устойчивость. Для ее определения в водных растворах применяют справочные диаграммы Пурбе, по оси абсцисс которых откладывается pH среды, а по оси ординат – окислительно-восстановительный потенциал. Сдвиг потенциала в положительную сторону означает большую устойчивость материала. Ориентировочно она определяется как нормальный равновесный потенциал металла. В реальности материалы корродируют с различной скоростью.
  • Положение атома в периодической таблице химических элементов. Металлы, наиболее подверженные коррозии, – это щелочные и щелочноземельные. Скорость коррозии снижается при увеличении атомного номера.
  • Кристаллическая структура. Она оказывает неоднозначное влияние на разрушение. Крупнозернистая структура сама по себе не приводит к росту коррозии, но благоприятна для развития межкристаллитного избирательного разрушения границ зерна. Металлы и сплавы с однородным распределением фаз корродируют равномерно, а с неоднородным – по очаговому механизму. Взаимное расположение фаз выполняет функцию анода и катода в агрессивной среде.
  • Энергетическая неоднородность атомов в кристаллической решетке. Атомы с наибольшей энергией расположены в углах граней микронеровностей и являются активными центрами растворения при химической коррозии. Поэтому тщательная механическая обработка металлических деталей (шлифовка, полировка, доводка) повышает коррозионностойкость. Данный эффект объясняется также формированием более плотных и сплошных оксидных пленок на гладких поверхностях.

Влияние кислотности среды

Вам будет интересно: Шуточные номинации для учителей на выпускной

В процессе химической коррозии концентрация ионов водорода оказывает влияние на следующие моменты:

  • растворимость продуктов коррозии;
  • формирование защитных оксидных пленок;
  • скорость разрушения металла.

При рН в интервале значений 4-10 единиц (кислый раствор) коррозия железа зависит от интенсивности проникновения кислорода к поверхности объекта. В щелочных растворах скорость коррозии сначала уменьшается из-за пассивации поверхности, а затем, при рН>13 увеличивается в результате растворения защитной оксидной пленки.

Для каждого вида металла существует своя зависимость интенсивности разрушения от кислотности раствора. Благородные металлы (Pt, Ag, Au) устойчивы к коррозии в кислой среде. Zn, Al быстро разрушаются как в кислотах, так и в щелочах. Ni и Cd устойчивы к щелочам, но легко корродируют в кислотах.

Состав и концентрация нейтральных растворов

Скорость коррозии в нейтральных растворах зависит в большей степени от свойств соли и ее концентрации:

  • При гидролизе солей в коррозионной среде образуются ионы, которые действуют как активаторы или замедлители (ингибиторы) разрушения металла.
  • Те соединения, которые увеличивают pH, повышают также скорость деструктивного процесса (например, кальцинированная сода), а те, которые снижают кислотность, – уменьшают ее (хлористый аммоний).
  • При наличии хлоридов и сульфатов в растворе разрушение активизируется до достижения некоторой концентрации солей (что объясняется усилением анодного процесса под влиянием ионов хлора и серы), а затем постепенно снижается из-за уменьшения растворимости кислорода.

Некоторые виды солей способны образовывать труднорастворимую пленку (например, фосфорнокислое железо). Это способствует защите металла от дальнейшего разрушения. Данное свойство используется при применении нейтрализаторов ржавчины.

Замедлители коррозии

Замедлители (или ингибиторы) коррозии различаются по механизму действия на окислительно-восстановительный процесс:

  • Анодные. Благодаря им образуется пассивная пленка. К данной группе относятся соединения на основе хроматов и бихроматов, нитратов и нитритов. Последний тип ингибиторов применяется для межоперационной защиты деталей. При использовании анодных замедлителей коррозии необходимо предварительно определить их минимальную защитную концентрацию, так как добавление в небольших количествах может привести к увеличению скорости разрушения.
  • Катодные. Механизм их действия основан на снижении концентрации кислорода и соответственно, замедлении катодного процесса.
  • Экранирующие. Данные ингибиторы изолируют поверхность металла с помощью образования нерастворимых соединений, отлагающихся в виде защитного слоя.

К последней группе относятся нейтрализаторы ржавчины, которые используются также для очистки от окислов. В их состав, как правило, входит ортофосфорная кислота. Под ее влиянием происходит фосфатирование металла – образование прочного защитного слоя нерастворимых фосфатов. Нейтрализаторы наносят пульверизатором или валиком. Через 25-30 минут поверхность приобретает бело-серый цвет. После высыхания состава наносят лакокрасочные материалы.

Механическое воздействие

Повышению коррозии в агрессивной среде способствуют такие типы механического воздействия, как:

  • Внутренние (при формовании или термообработке) и внешние (под воздействием приложенной извне нагрузки) напряжения. В результате возникает электрохимическая неоднородность, происходит снижение термодинамической устойчивости материала и формируется коррозионное растрескивание. Особенно быстро происходит разрушение при растягивающих нагрузках (трещины образуются в перпендикулярных плоскостях) в присутствии анионов окислителей, например, NaCl. Типичным примером устройств, подверженных такому типу разрушения, являются детали паровых котлов.
  • Знакопеременное динамическое воздействие, вибрации (коррозионная усталость). Происходит интенсивное снижение предела усталости, образуются множественные микротрещины, которые затем сливаются в одну крупную. Число циклов до разрушения в большей степени зависит от химического и фазового состава металлов и сплавов. Такой коррозии подвержены оси насосов, рессоры, лопатки турбин и другие элементы оборудования.
  • Трение деталей. Быстрое корродирование обусловлено механическим износом защитных пленок на поверхности детали и химическим взаимодействием со средой. В жидкости скорость разрушения ниже, чем на воздухе.
  • Кавитационное ударное воздействие. Кавитация возникает при нарушении сплошности потока жидкости в результате образования вакуумных пузырей, которые схлопываются и создают пульсирующее воздействие. В результате возникают глубокие повреждения локального характера. Данный тип коррозии часто наблюдается в химических аппаратах.

Конструктивные факторы

Вам будет интересно: Копать или капать? Как правильно написать?

При конструировании элементов, работающих в агрессивных условиях, необходимо учитывать, что скорость коррозии возрастает в следующих случаях:

  • при контакте разнородных металлов (чем больше разница электродного потенциала между ними, тем выше сила тока электрохимического процесса разрушения);
  • при наличии концентраторов механических напряжений (канавки, пазы, отверстия и другие);
  • при низкой чистоте обработанной поверхности, так как при этом возникают локальные короткозамкнутые гальванические пары;
  • при значительной разнице температуры отдельных частей аппарата (образуются термогальванические элементы);
  • при наличии застойных зон (щели, зазоры);
  • при формировании остаточных напряжений, особенно в сварных соединениях (для их устранения необходимо предусмотреть термическую обработку – отжиг).

Методы оценки

Существует несколько способов оценки скорости разрушения металлов в агрессивных средах:

  • Лабораторные – испытания образцов в искусственно смоделированных условиях, близких к реальным. Их преимуществом является то, что они позволяют сократить сроки исследования.
  • Полевые – проводятся в естественных условиях. Занимают длительное время. Преимуществом такого метода является получение информации о свойствах металла в условиях дальнейшей эксплуатации.
  • Натурные – испытания готовых металлических объектов в естественной среде.

К вопросу о прогнозировании развития коррозионных процессов в конструкциях стальных свай, работающих в контакте с грунтом

АННОТАЦИЯ

Предметом обсуждения в данной статье является прогнозирование коррозионных процессов в конструкциях стальных свай, работающих в контакте с грунтом. Проблема, с которой пришлось столкнуться на практике — несоблюдение требований проекта по антикоррозийной обработке наружной поверхности свай, выполненных из стальных труб. Объём погруженных свай и степень реализации надземных частей эстакад и проложенных по ним трубопроводов заставили озадачиться поиском ответа на вопрос — возможна ли эксплуатация свай в такой реализации в течение расчётного срока службы 25 лет? При прочих равных условиях определяющим фактором для нахождения ответа на поставленный вопрос является показатель скорости коррозии металла стенок свай. Целью статьи является нахождение ответа на вопрос, прозвучавший выше.

ABSTRACT

The article is focused on prediction of corrosion processes in steel piles contacting with the ground. The practice revealed that the project requirements for anticorrosion treatment of the outer surface of steel piles are often not fulfilled. The amount of piles in position and the degree of readiness of the aboveground parts of the rack with the pipelines caused the search for the answer whether such operation of piles during the estimated service life of 25 years is possible. All other conditions being equal, the key factor is the corrosion rate of pile walls. The article searched for the answer to the given question.

Ключевые слова: сваи, коррозия, фундамент, прогнозирование, расчётный срок службы.

Keywords: piles, corrosion, foundation, prediction, estimated service life.

Основные требования действующих норм, в частности СП 28.13330.2017, однозначно предписывают выполнение изоляционного покрытия поверхности стальных конструкций, эксплуатирующихся в грунтовой среде. Данное требование распространяется и на сваи-оболочки из труб стальных, широко использующихся в качестве фундаментов под объекты нефтегазодобычи. Очевидно, что с точки зрения ГОСТ 17467-79*, отсутствие защитного покрытия на поверхности стальных свай-оболочек является неустранимым дефектом. Однако вопрос отнесения данного дефекта к значительному или критическому представляется открытым, так как, с одной стороны, действующие российские нормы не допускают данный дефект, но, с другой стороны, имеется опыт зарубежного проектирования, допускающий использование стальных свай без дополнительной защиты металла.

Читайте также  Как отличить цинк от других металлов

Причиной проведения настоящего исследования является факт выявления вышеописанного дефекта на свайном поле фундаментов эстакад обустройства одной из промышленных площадок Иркутской области. Сочетание значительного количества свай (около 500 шт.) с высокой степенью готовности надземной части эстакад и размещённых на них трубопроводов предопределило вопрос о возможности использования объекта с выявленным дефектом в пределах расчётного срока службы 25 лет, назначенного проектной документацией.

Целью исследования являлось прогнозирование величины коррозионного износа свай из стальных труб без антикоррозионного покрытия и несущей способности свай по материалу на расчётный срок службы сооружения 25 лет, предоставление прогнозных данных генеральному проектировщику для принятия решений по долговечности конструкций свай. Работы по обследованию проводились в июле-сентябре 2018 г., в т.ч. полевые работы – в июле 2018 г.

Для достижения данной цели было предложено выполнять исследование по следующей укрупнённой методике:

  • Выполняется разделение грунтовых условий нахождения ствола сваи по следующим критериям: вид грунта, наличие грунтовой воды, в т.ч. верховодки, наличие уплотнения насыпной части, наличие мерзлоты;
  • По Еврокоду 3, Р625-87, иным публикационным официальным источникам подбираются (и обосновываются при подборе) соответствующие значения скорости односторонней коррозии трубной стали с параллельной идентификацией применённой стали по химическому составу фотоэлектрическим и спектрографическим методами по ГОСТ 18895-97 и ГОСТ 27809-95;
  • Методом средневзвешенных значений производится назначение расчётной скорости коррозии для выделенных участков сваи по длине её ствола;
  • Проверка назначенных параметров полевыми испытаниями ультразвуковой толщинометрией по ГОСТ Р ИСО 16809-2015 оголенных шурфами стенок свай в пределах высоты шурфа и над уровнем земли прилегающей территории. При этом к толщинометрии предлагалось добавить испытания образцов-свидетелей, погруженных в грунтовые условия на 2, 5 лет, с целью проверки достоверности расчётного обоснования. Получение аппроксимирующей функции скорости коррозии в зависимости от времени для обследованных свай и расчётный прогноз коррозионного износа свай при сохранении условий эксплуатации;
  • Выполнение поверочных расчётов свай по материалу (с учётом коррозионного прогнозного износа) в соответствие с СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*»; СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции»; СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» и формирование прогноза несущей способности свай для расчётного срока службы; назначение прогнозного технического состояния конструкций на основании ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния»;
  • По результатам повторного обследования, планируемого на 2021 г. выполняется корректировка (при необходимости) аппроксимирующей функции скорости коррозии в зависимости от времени для обследованных свай и, как следствие, прогнозов коррозионного износа и несущей способности свай по материалу.

Для выборочного обследования девяти свай были выполнены шурфы глубиной 1,4-2,4 м (при согласованной в программе работ глубине 1,7 м). Из стенок пяти свай были отобраны пробы стали труб для идентификации марки по химическому составу. На всех вскрытых контрольных сваях (за исключением свай С3 и С5) выполнялось измерение толщины стенки ультразвуковым неразрушающим методом не менее чем в трёх точках по высоте оголённой части сваи: на уровне дна шурфа, на высоте, равной половине глубины шурфа от уровня его дна, на 100 мм выше уровня обреза шурфа (надземная точка). На всех сваях определялось наличие пескоцемента в полости простукиванием боковой поверхности труб молотком.

Основные результаты анализа характеристик грунтов основания и осмотра шурфов показали:

— грунтовые воды в пределах проходки шурфов и в пределах скважин при изучении инженерно-геологического разреза не обнаружены; замачивание грунтов возможно по открытому верхнему обрезу противопучинистой обсыпки верхней части ствола сваи песчано-гравийной смесью, однако при этом замачивание может носить периодический характер.

— ствол сваи находится в контакте с глинистыми грунтами, при этом на большинстве обследованных выборочно свай отсутствует противопучинистая обсыпка гравийным грунтом, в присутствующей на свае С1 засыпке зафиксирован глинистый заполнитель;

— наличие в 2 из 9 свай обсыпки в верхней части ствола свай позволяет утверждать о свойствах этого грунта как насыпного неуплотненного;

— в материалах инженерно-геологических изысканий грунты по отношению к углеродистой и низколегированной стали обладают средней коррозионной агрессивностью по ГОСТ 9.602-2016 [1].

Согласно данным табл. 4.1 Еврокод 3 часть 5 [2] (далее Еврокод) коррозионный износ стальных элементов в грунте насыпном (агрессивном — золы и т.п.) превышает скорость грунтовой коррозии в глинистых грунтах, в обследуемых сваях с учётом вышеприведённых фактов следует рассматривать именно наличие насыпных грунтов в верхней части лидерной скважины. На рис. 1 приведена выкопировка из Еврокод с табл. 4.1.

При этом п. 4.4 Еврокод устанавливает скорость односторонней атмосферной коррозии на уровне 0,01 мм/год. Однако, п. 4.2 оговаривает возможность неучёта данного вида коррозии внутри полости свай при условии заполнения полости бетоном или герметизации полостей.

Анализ положений Еврокод позволяет сделать следующие предварительные выводы:

— максимальный односторонний коррозионный износ (от влияния грунтовой коррозии) назначен для агрессивных неуплотненных грунтов (шлаки, золы и т.п.), равен величине 0,5 мм за 5 лет эксплуатации и 2,0 мм – за 25 лет соответственно. Таким образом, скорость коррозии в течение эксплуатации не является величиной постоянной и равна усреднённой величине 0,1 мм/год в первые пять лет и уменьшается до усреднённой величины 0,075 мм/год в следующие 20 лет, при средней скорости коррозии 0,08 мм/год в течение 25 лет эксплуатации;

— односторонний коррозионный износ (от влияния грунтовой коррозии), назначенный для неагрессивных неуплотненных глинистых и песчаных грунтов, равен величине 0,18 мм за 5 лет эксплуатации и 0,7 мм – за 25 лет соответственно. Таким образом, скорость не сохраняется постоянной в течение эксплуатации и равна усреднённой величине 0,036 мм/год в первые пять лет и уменьшается до усреднённой величины 0,026 мм/год в следующие 20 лет, при средней скорости коррозии 0,028 мм/год в течение 25 лет эксплуатации;

— односторонний коррозионный износ (от влияния грунтовой коррозии), назначенный для грунтов промышленных рабочих площадок, равен величине 0,15 мм за 5 лет эксплуатации и 0,75 мм – за 25 лет соответственно. Таким образом, скорость постоянна в течение 25 лет эксплуатации и равна усреднённой величине 0,030 мм/год;

— атмосферная коррозия внутри полостей обследуемых свай должна учитываться ввиду отсутствия заполнения полостей большинства обследованных свай и отсутствия данных по визуально-инструментальному контролю сварных швов при обустройстве острия свай;

— при наихудшем варианте грунтовых условий усреднённая полная скорость коррозии с учётом атмосферной внутри полости сваи за период 25 лет составит 0,09 мм/год при скорости 0,11 мм/год в первые 5 лет.

— для насыпных глинистых грунтов расчётная теоретическая усреднённая полная скорость коррозии стенки с учётом атмосферной внутри полости сваи за период 25 лет принята на уровне 0,038 мм /год.

Рисунок 1. Таблица 4.1 Еврокод 3 часть 5

Согласно данным советских источников [3], [5] и исследованиям Э.П. Мингалева, Е.И. Гайданенко, А.Ф. Марченко [6],[7],[8],[9] скорость грунтовой коррозии (при отсутствии блуждающих токов) в грунтах дресвяно-подзолистых и торфяных составляет 0,04-0,1 мм год, не превышает 0,1 мм; при этом отмечается повышенная скорость в грунтах, допускающих воздухововлечённость (неуплотнённые насыпи, торфяники) в первые 2-3 года нахождения в грунте с последующим снижением скорости по мере самоуплотнения или водонасыщения. То есть максимальная описанная вышеназванными источниками скорость грунтовой коррозии 0,1 мм/год сопоставляется с данными Еврокод для показателя в агрессивных насыпных грунтах в первые 5 лет эксплуатации. Таким образом, наиболее пессимистический прогноз позволяет в дальнейшем оперировать величиной 0,11 мм/год для сравнения с фактическими показателями, определяемыми в рамках настоящего исследования.

Анализ полученных данных измерения толщины металла стенок обследуемых свай выполнен при следующих предварительных предпосылках:

— атмосферная коррозия постоянна и равна 0,01 мм/год как для наружной надземной части свай, так и для поверхности внутри полости труб свай;

— начальная глубина коррозии по наружной и внутренней поверхностям к моменту погружения свай в грунт равна 0 (ввиду отсутствия каких-либо данных о степени её (коррозии) реализации на начало расчётного периода);

— изначальная толщина стенки трубы одинакова во всех точках измерения в пределах изученной длины (максимальная величина которой равна 2,4 м – глубина шурфа сваи С1); данная оговорка связана с принятыми в табл. 3 ГОСТ 8732-78 [11] допусками на толщину труб, количественные показатели которых приведены ниже в таблице 1. Анализ данных таблицы 1 позволяет предполагать теоретическую невозможность получения адекватных данных скорости коррозии при возможных отклонениях толщины стенки трубы на изученной длине в пределах допусков по причине значительного превышения величины допуска над ожидаемой величиной коррозионного износа за 2 года. В связи с этим применена данная предпосылка с целью возможности применения метода расчёта грунтового износа сопоставлением величин толщины стенки трубы надземной и подземной части.

— значение требуемого уровня доверительной вероятности равно 0,95.

Таблица 1.

Допускаемые отклонения толщины стальных бесшовных горячедеформированных труб

Диаметр трубы наружный, мм

Допускаемые отклонения толщины, мм для труб с толщиной стенки

Влияние различных факторов на грунтовую коррозию металлов

Грунтовые условия, в которых эксплуатируются металлические сооружения, весьма неодинаковы. Скорость коррозии металлов в грунте в значительной степени зависит от состава грунта, его влагоемкости (т.е. способности удерживать влагу) и воздухопроницаемости и определяется кинетикой электродных процессов, а в случае работы протяженных коррозионных пар также и омическим сопротивлением грунта. Следует отметить следующие основные факторы, определяющие скорость и характер грунтовой коррозии металлов:

1. Наличие влаги делает грунт электролитом и вызывает электрохимическую коррозию находящихся в нем металлов. Увеличение влажности грунта облегчает протекание анодного процесса (затрудняя пассивацию металла), уменьшает электросопротивление грунта, но затрудняет протекание катодного процесса при значительном насыщении водой пор грунта (уменьшая аэрируемость грунта и скорость диффузии кислорода). Поэтому зависимость скорости коррозии металлов от влажности грунта имеет вид кривых с максимумом (рис. 11) — при большем избытке воды скорость коррозии металлов падает вследствие торможения катодного процесса, что обусловлено сильным ростом толщины диффузионного слоя.

Рис. 11 Влияние влажности н скорость коррозии стали: 1 — в песке; 2 — в глине

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.

Читайте также  Бизнес план плазменная резка металла

В большинстве почв процесс коррозии протекает с катодным торможением из-за трудности транспорта кислорода (рис. 13, а). В рыхлых, хорошо аэрируемых почвах наблюдается анодное торможение (рис. 13, б). При возникновении коррозионных пар, в которых анодные и катодные участки значительно удалены друг от друга, процесс характеризуется омическим торможением (рис. 13, в).

Рис. 12 Схема коррозии полисного трубопровода в условиях различной аэрации почв

Рис. 13 Случаи контроля коррозионного процесса для различных условий почвенной коррозии: а — коррозия в большинстве почв с превалирующим катодным контролем; б — коррозия в рыхлых, сухих почвах (анодный контроль); в — коррозия при большой протяженности (превалирующий омический контроль)

  • 3. Электропроводимость грунтов, которая колеблется от нескольких единиц до сотен Ом на метр зависит главным образом от его влажности, состава и количества солей и структуры. Увеличение засоленности грунта облегчает протекание анодного процесса (в результате депассивирующего действия особенно галоидных солей), катодного процесса (например, ускорение катодного процесса окисными солями железа) и снижает электросопротивление. Во многих случаях величина электропроводности почв и грунтов с достаточной точностью характеризует их коррозионную агрессивность для стали и чугуна (за исключением водонасыщенных грунтов) и используется в этих целях
  • 4. Кислотность грунта, которая характеризуется колебаниями рН в пределах от 9 до 3, ускоряет коррозию в результате повышения растворимости вторичных продуктов коррозии и возможной дополнительной катодной деполяризации водородными ионами.
  • 5. Неоднородность грунта по его структуре, плотности, составу, влажности, кислотности и т.д. приводит к возникновению макрокоррозионных пар и усилению коррозии металлов и ее неравномерности.
  • 6. Микроорганизмы, находящиеся в большом количестве в почвах и грунтах, могут вызывать значительное местное ускорение коррозии металлов, в частности стали (рис.14). Коррозия металлов, вызванная или усиленная воздействием микроорганизмов называется биологической или биохимической.

Рис. 14 Схема коррозии стенок обсадных стальных труб нефтяных скважии вследствие биологической сульфат-редукции

Наибольшую опасность представляют анаэробные сульфат-редуцирующие бактерии, которые развиваются в илистых, глинистых и болотных грунтах, где возникают анаэробные условия. Эти бактерии в процессе жизнедеятельности восстанавливают содержащиеся в грунте сульфаты, потребляя образующийся при катодном процессе водород, до сульфид-ионов с выделением кислорода:

Не полностью используемый бактериями на окислительные процессы кислород обеспечивает протекание катодной деполяризацнонной реакции грунтовой коррозии стали в анаэробных условиях. Сероводород уменьшает перенапряжение водорода в кислых и слабокислых грунтах, облегчая протекание катодного процесса в этих условиях. Сульфид-ионы, действуя как депассиваторы, а также связывая железо в труднорастворимые и малозащитиые сульфиды, растормаживают анодный процесс коррозии стали. Скорость коррозионного разрушения стали при воздействии этих бактерий может возрастать в 20 раз.

Из аэробных бактерий наибольшее значение имеют серобактерии, которые в процессе жизнедеятельности окисляют сероводород в серу, а затем в серную кислоту по уравнениям:

Присутствие в коррозионной среде сульфидов и сероводорода приводит к образованию на поверхности изделия рыхлого слоя сульфида железа. Коррозия имеет питтинговый характер.

7. Температура грунта, которая в зависимости от географической широты, климатических условий, времени года и суток может меняться в пределах от -50 до +50°С, влияет на кинетику электродных процессов и диффузии, определяющих скорость грунтовой коррозии металлов. Обычно наблюдается экспоненциальное возрастание скорости грунтовой коррозии металлов с увеличением температуры, которое в координатах lg Km (скорости коррозии) — 1/Т дает прямую линию (рис. 15).

Рис. 15 Температурная зависимость скорости коррозии железа в различных грунтах, Залитых водой: 1 — гумус; 2 — инфузорная земля; 3 — речной песок; 4 — глина и суглинок

Значения эффективной энергии активации процесса коррозии железа в различных водонасыщенных грунтах значительно превосходят значения энергии активации вязкости воды и подвижности водородных ионов, что указывает на существенное различие процессов диффузии в жидкой фазе грунтов и почв и в растворах электролитов. Возможны и отступления от экспоненциальной зависимости скорости грунтовой и почвенной коррозии металлов от температуры, связанные с более быстрым высыханием или с меньшей аэрацией грунта или почвы при повышении температуры.

Особенно резко повышается скорость коррозии металлов при оттаивании грунтов или почв и резко замедляется при замерзании грунтовой воды.

Различие температур на отдельных участках протяженных подземных сооружений может привести к возникновению термогальванических коррозионных макропар с соответствующим местным усилением — коррозии.

При наличии коррозии в результате работы макропар характер влияния изменения условий на скорость грунтовой коррозии металлов может существенно измениться. Так, если при работе микропар плотные, воздухонепроницаемые грунты являются наименее агрессивными, то при работе макропар неравномерной аэрации наибольшей коррозии подвергаются участки протяженных металлических конструкций (например, трубопроводов), находящихся именно в этих грунтах.

Скорость коррозии металла в грунте

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

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

Коррозионная агрессивность грунта

Удельное электрическое сопротивление грунта, ОмЧм

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Читайте также  Как покрасить металл под старую бронзу

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

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

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

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

Таблица 3 — Коррозионная агрессивность грунта

Коррозионная агрессивность грунта

Удельное электрическое сопротивление грунта, ОмЧм

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.
  • Самая глубокая ванная 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.