Общие сведения о коррозии

Под коррозией металлических трубопроводов понимается самопроизвольное разрушение их под действием различных факторов химического или электрохимического характера, определяемых окружающей трубопровод средой, которая может быть газообразной, жидкой или твёрдой. Газообразной средой обычно является атмосфера (при прокладке трубопроводов по надземной или наземной схеме). Жидкая среда воздействует на трубопровод при прокладке его под водой через реки, водохранилища, морях и т.д. Наконец, твёрдой средой является любой грунт, в котором прокладывается трубопровод. Соответственно коррозии, протекающие в каждой из этих сред, называют атмосферной, жидкостной, подземной, или почвенной. Они обычно воздействуют на наружную поверхность трубопровода и приводят её к разрушению. Но трубопроводы коррозируют не только снаружи, но и изнутри, если по ним транспортируются агрессивные среды. Например, сернистый газ, неочищенная нефть и т.д. Вне зависимости от среды их протекания подразделяются на химическую и электрохимическую коррозии, отличающиеся механизмом коррозионного процесса. Химической называют самопроизвольное окисление металла, связанное с переходом его в более устойчивое ионное состояние (продукт окисления) под воздействием токонепроводящей среды (сухой воздух или транспортируемый по трубопроводу газ). Электрохимической называют коррозию, при которой металл самопроизвольно разрушается при взаимодействии с жидкой токопроводящей средой (электролитом).

При электрохимической коррозии скорость разрушения металла зависит от его электродного потенциала. Это объясняется тем, что ионизация атомов металла и восстановление окислителя в электролите происходит неодновременно. Скорости протекания каждого процесса зависят от электродного потенциала металла. Соответственно от него зависит и скорость коррозии. Примером электрохимической коррозии может служить коррозия металлов во влажной воздушной или жидкой токопроводящей среде (ржавление металла во влажном воздухе, влажной грунтовой среде, морской воде и т.д.). Для электрохимической коррозии подземных трубопроводов наиболее характерна почвенная коррозия. Наибольшую опасность представляет коррозия под воздействием блуждающих токов, возникающих от проходящих вблизи электропроводящих систем (например, электрифицированных железных дорог, трамвайных линий и т.д.). Рассмотрим наиболее чаще встречаемые виды коррозии.

Сплошная коррозия равномерно охватывает всю наружную или внутреннюю поверхности труб на участках большой протяжённости. При сплошной неравномерной коррозии скорость разъедания металла на различных участках различна. При сплошной равномерной коррозии уменьшение толщины стенки происходит равномерно (для данного момента времени), а при сплошной неравномерной коррозии глубина разъедания стенки труб изменяется от минимальной до максимальной. Местная коррозия – разрушение отдельных участков поверхности труб – может реализоваться в форме язв, раковин, точечных разъединений, сквозных протравлений и т.п. Для трубопроводов, работающих в режиме жёсткого напряжённого состояния в коррозионной среде, опасность представляет так называемое коррозионное растрескивание, связанное с образованием микротрещин. Особенно, при транспортировке по газопроводам газа с некоторым содержанием сероводорода. Так как атомарный водород обладает исключительной способностью проникать в металл, скапливаясь в порах. Какая-то часть растворяется в кристаллической решётке металла, ухудшая его пластичность и увеличивая хрупкие свойства металла с одновременным образованием микротрещин, что приводит к разрушению металла. Особенно активно процесс такой коррозии происходит в районе сварных стыков, где нарушение кристаллической решётки сплошности металла значительно больше, а следовательно, значительно больше и возможностей для перенасыщения металла водородом. Давление способствует увеличению проникающей способности, а температура – ускорению химических реакций, связанных с замещением в кристаллической решётке углерода водородом. Особенно чаще подобные разрушения возникают на выходе КС. Так как постоянные циклические нагрузки, вызванные гидравлическими ударами в результате пусков и остановов агрегатов, как провоцирующий фактор и повышенная температура газа на выходе станции.

Механизм химического разрушения металла заключается во вступлении металла в химическую реакцию с электролитом без участия свободных электронов. По такому типу происходит, например, растворение железа в электролите. Восстановление окислительного элемента происходит не одновременно, а с различными скоростями в зависимости от электродного потенциала. Этот вид коррозии и является определяющим при коррозионном разрушении трубопроводов.

Между двумя токопроводящими элементами при их соприкосновении возникает разность потенциалов. Измеряя с помощью стандартного водородного электрода электродвижущую силу гальванического элемента, составленного из стандартного водородного электрода и исследуемого электрода (например, металла в электролите), получим ЭДС, называемую электродным потенциалом. В качестве стандартного электрода принят водородный, потенциал которого условно равен нулю. В соответствии с решением Международной конвенции в Стокгольме (1953г.) в гальваническом элементе, составленном из исследуемого электрода и стандартного водородного электрода (СВЭ), электрод сравнения всегда должен быть слева, а исследуемый электрод – справа. В этом случае ЭДС будет равной по значению и знаку электродному потенциалу исследуемого элемента, например железа.

11.1.1. Атмосферная коррозия и защита трубопроводов от неё

Трубопроводы, прокладываемые надземно и изолированные от земли токонепроводящими элементами, подвергаются в основном атмосферной коррозии, которая относится к электрохимическому типу. Если влажность велика, то на поверхности металла труб образуется плёнка воды, которая участвует в процессе электрохимической коррозии как электролит. Доступность кислорода воздуха к поверхности труб приводит иногда к тому, что при кислой среде водной плёнки коррозия идёт преимущественно при кислородной деполяризации. Уменьшение толщины плёнки облегчает катодный процесс и затрудняет анодный; при этом возрастает омическое сопротивление электролита. Наряду с влажностью воздуха, определяющей в конечном итоге толщину плёнки, очень большое влияние на атмосферную коррозию оказывают растворимые в воде газы (SO₃, HCl) и твёрдые частицы (NaCl, Na₂SO₄ и др.). Они увеличивают токопроводимость электролита, а также сами по себе являются коррозионными элементами, вступая в химические реакции с металлом. В начальный период коррозия труб идёт более активно; вследствие значительной гигроскопичности ржавчины поверхность труб обычно увлажнена. Поэтому основным фактором атмосферной коррозии, первым мероприятием в борьбе с атмосферной коррозией является защита поверхности труб от влаги. Для этой цели рекомендуется применять жировые смазки (преимущественно в северных условиях), лакокрасочные и другие стойкие покрытия со сроком службы не менее четырёх лет. Толщина жировой смазки должна быть 0,2 – 0,5мм. Лакокрасочные покрытия наносят двумя слоями на 2 – 3 слоя грунтовки. В последний слой покрытия добавляют 10 – 15% по массе алюминиевой пудры.

Для уменьшения скорости атмосферной коррозии узлы соединений, узлы опорных конструкций следует проектировать таким образом, чтобы в них было как можно меньше элементов, собирающих дождевую воду. Именно такие места и становятся начальными для коррозионного процесса даже при тщательной покраске.

11.1.2. Почвенная коррозия и защита от неё

При укладке трубопроводов по подземной или надземной (в насыпи) схемам грунт является средой, в которой коррозионное разрушение происходит в основном по электрохимическому типу. Это обусловлено следующими факторами: грунт практически всегда содержит в своих порах воду, а также различные химические реагенты, что делает грунт средой, обладающей ионной проводимостью. Таким образом, система металлическая труба – электролит представляет своеобразный гальванический элемент. В формировании этих разрушений большое значение имеют степень насыщенности пор грунта влагой, пористость грунта и его газопроницаемость, так называемое омическое сопротивление грунта. Так как газопроницаемость грунта в различных его точках неодинакова, то к разным участкам поверхности труб поступает разное количество кислорода, который и является основным деполяризатором при почвенной коррозии. В результате на поверхности металла возникают микро- и макрокоррозионные пары, работа которых приводит к быстрому разрушению металла.

Рассмотрим несколько видов контролирующих процессов характеризующих почвенную коррозию в зависимости видов грунта.

Катодный контроль при основной роли ионизации кислорода:

ΔU_к>>V_а возникает при хорошей газопроницаемости грунта, что обеспечивает хороший доступ кислорода.

Катодный контроль при основной роли диффузии кислород:

ΔU_к>>ΔV_а характерен для нейтральной электролитной составляющей грунта;

Катодный контроль с водородной деполяризацией:

ΔV_к>>ΔV_а – для грунтов, содержащих неокисляющие кислоты;

Смешанный катодно-анодный контроль:

ΔV_к≈ΔV_а

Катодно-омический контроль:

ΔV_к≈ΔV_R>>ΔV_а – при образовании макропар большой протяжённости.

При решении вопроса о методах защиты от коррозии должен быть установлен вид контролирующего процесса. Это позволит правильно назначить метод защиты трубопровода. Рассмотрим другие факторы, оказывающие влияние на скорость коррозии. Так влажность грунта при его насыщении уменьшает электрическое сопротивление и способствует активизации анодного процесса, затрудняя одновременно протекание катодного процесса в следствие ухудшения воздухопроницаемости грунта. Электрическая проводимость грунтов характеризуется удельным электрическим сопротивлением грунтов. Приведём характеристику коррозионной активности грунта в зависимости от его удельного электрического сопротивления.

Таблица 11.1 Коррозионная активность грунтов

Насыщенность грунта солями, особенно при значительной влажности, существенно снижает его сопротивление, увеличивает электрическую проводимость. При этом облегчается протекание как анодного, так и катодного процесса коррозии.

Кислотность грунтов ускоряет процесс коррозии за счёт растворения продуктов коррозии и создания тем самым лучших условий для контакта агрессивной среды с металлом, а также за счёт катодной деполяризации водородными ионами. Кислотность грунтовой среды характеризуется так называемым водородным показателем рН, который равен отрицательному значению логарифма активности водородных ионов. Грунты характеризуются колебаниями рН от 3 до 9. Наличие в грунте анаэробных микроорганизмов приводит к восстановлению сульфатов по схеме MgSO₄+4H=Mg(OH)₂+H₂S+O₂. Кислород и сероводород, образующийся при этом, облегчают катодную деполяризацию как в анаэробных, так и в кислых грунтах. Хорошие условия для анаэробных бактерий имеются в болотных грунтах, где скорость коррозии за счёт деятельности бактерий может многократно возрасти по сравнению с таким же грунтом, но без бактерий. Наряду с анаэробными имеются и аэробные бактерии, например серобактерии, окисляющие сероводород, Н₂S+O₂=2H₂O+S₂. Далее сера окисляется и, соединяясь с водой, превращается в серную кислоту, которая и обуславливает увеличение коррозионной активности грунта.

Температура грунта также способствует изменению скорости коррозии, которая увеличивается при повышении температуры и уменьшается при понижении. При прокладке трубопроводов в условиях вечномёрзлых грунтов этот фактор приобретает большое значение, так как скорость коррозии сильно увеличивается именно при оттаивании мёрзлого грунта. Важным фактором в изменении скорости коррозии является наличие в грунте блуждающих токов.

Наиболее эффективным способом защиты трубопровода является катодная защита, сущность которой заключается в искусственной поляризации катода таким образом, чтобы его потенциал, по крайней мере, стал равным потенциалу анода коррозионной пары. В результате такой поляризации катода работа коррозионной пары прекращается. Однако это может быть лишь при определённом более отрицательном потенциале и соответствующей силе защитного тока.